El fenómeno de la inducción electromagnética en la vida. Aplicación práctica del fenómeno de la inducción electromagnética

resumen

en la disciplina "Física"

Tema: “Descubrimiento del fenómeno inducción electromagnética»

Terminado:

Grupo de estudiantes 13103/1

San Petersburgo

2. Experimentos de Faraday. 3

3. Uso práctico fenómenos de inducción electromagnética. nueve

4. Lista de literatura utilizada .. 12

Inducción electromagnética: el fenómeno de la aparición de una corriente eléctrica en un circuito cerrado cuando cambia el flujo magnético que lo atraviesa. La inducción electromagnética fue descubierta por Michael Faraday el 29 de agosto de 1831. Encontró que la fuerza electromotriz que ocurre en un circuito conductor cerrado es proporcional a la tasa de cambio del flujo magnético a través de la superficie delimitada por este circuito. La magnitud de la fuerza electromotriz (EMF) no depende de lo que está causando el cambio en el flujo - el cambio en el campo magnético o el movimiento de un circuito (o parte de él) en un campo magnético. La corriente eléctrica causada por este EMF se llama corriente de inducción.

En 1820, Hans Christian Oersted demostró que una corriente eléctrica que fluye a través de un circuito hace que una aguja magnética se desvíe. Si una corriente eléctrica genera magnetismo, entonces la aparición de una corriente eléctrica debe estar asociada con el magnetismo. Esta idea capturó al científico inglés M. Faraday. “Convierte el magnetismo en electricidad”, escribió en 1822 en su diario.

Michael Faraday

Michael Faraday (1791-1867) nació en Londres, una de las zonas más pobres de la misma. Su padre era herrero y su madre era hija de un arrendatario. Cuando Faraday llegó edad escolar Lo enviaron a la escuela primaria. El curso que tomó Faraday aquí fue muy estrecho y se limitó solo a enseñar a leer, escribir y comenzar a contar.

A unos pasos de la casa donde vivía la familia Faraday, había una librería, que también era un establecimiento de encuadernación. Aquí es donde llegó Faraday, habiendo completado el curso. escuela primaria cuando surgió la cuestión de elegir una profesión para él. Michael en ese momento tenía solo 13 años. Ya en su juventud, cuando Faraday recién comenzaba su autoeducación, se esforzaba por basarse únicamente en hechos y verificar los relatos de los demás con sus propias experiencias.

Estas aspiraciones lo dominaron toda su vida como las principales características de su actividad científica Físico y experimentos químicos Faraday comenzó a hacerlo cuando era niño en el primer contacto con la física y la química. Una vez Michael asistió a una de las conferencias de Humphry Davy, el gran físico inglés. Faraday tomó nota detallada de la conferencia, la encuadernó y se la envió a Davy. Quedó tan impresionado que le ofreció a Faraday trabajar con él como secretario. Pronto, Davy se fue de viaje a Europa y se llevó a Faraday con él. Durante dos años visitaron las mayores universidades europeas.

Al regresar a Londres en 1815, Faraday comenzó a trabajar como asistente en uno de los laboratorios de la Royal Institution de Londres. En ese momento era uno de los mejores laboratorios de física del mundo. De 1816 a 1818, Faraday publicó una serie de pequeñas notas y pequeñas memorias sobre química. El primer trabajo de Faraday sobre física data de 1818.

Basado en las experiencias de sus predecesores y combinando varias de sus propias experiencias, en septiembre de 1821, Michael había impreso la "Historia de éxito del electromagnetismo". Ya en ese momento, inventó un concepto completamente correcto de la esencia del fenómeno de desviación de una aguja magnética bajo la acción de una corriente.

Alcanzado este éxito, Faraday abandonó sus estudios en el campo de la electricidad durante diez años, dedicándose al estudio de una serie de materias de diversa índole. En 1823, Faraday hizo uno de los descubrimientos más importantes en el campo de la física: primero logró la licuefacción de un gas y, al mismo tiempo, estableció un método simple pero válido para convertir gases en líquidos. En 1824, Faraday hizo varios descubrimientos en el campo de la física. Entre otras cosas, estableció el hecho de que la luz afecta el color del vidrio, cambiándolo. EN el próximo año Faraday nuevamente pasa de la física a la química, y el resultado de su trabajo en esta área es el descubrimiento de la gasolina y el ácido naftaleno sulfúrico.

En 1831, Faraday publicó un tratado Sobre un tipo especial de ilusión óptica, que sirvió de base para un hermoso y curioso proyectil óptico llamado "cromótropo". En el mismo año, se publicó otro tratado del científico "Sobre placas vibratorias". Muchas de estas obras podrían por sí solas inmortalizar el nombre de su autor. Pero lo más importante de trabajos cientificos Faraday son sus investigaciones en el campo del electromagnetismo y la inducción eléctrica.

experimentos de faraday

Obsesionado con ideas sobre la inseparable conexión e interacción de las fuerzas de la naturaleza, Faraday trató de demostrar que así como Ampère podía crear imanes con electricidad, también es posible crear electricidad con la ayuda de imanes.

Su lógica era simple: el trabajo mecánico se convierte fácilmente en calor; a la inversa, el calor se puede convertir en trabajo mecánico (digamos, en máquina de vapor). En general, entre las fuerzas de la naturaleza, la siguiente relación ocurre con mayor frecuencia: si A da a luz a B, entonces B da a luz a A.

Si por medio de la electricidad Ampère obtuvo imanes, entonces, aparentemente, es posible "obtener electricidad a partir del magnetismo ordinario". Arago y Ampère se propusieron la misma tarea en París, Colladon en Ginebra.

En rigor, Faraday creó de la nada una importante rama de la física que trata los fenómenos del electromagnetismo y la electricidad inductiva, y que en la actualidad tiene una enorme importancia para la tecnología. Cuando Faraday finalmente se dedicó a la investigación en el campo de la electricidad, se estableció que con condiciones ordinarias la presencia de un cuerpo electrificado es suficiente para que su influencia excite la electricidad en todos los demás cuerpos. Al mismo tiempo, se supo que el hilo por el que pasa la corriente y que también es un cuerpo electrificado no tiene ningún efecto sobre otros hilos colocados cerca.

¿Qué causó esta excepción? Esta es la pregunta que interesó a Faraday y cuya solución lo llevó a los descubrimientos más importantes en el campo de la electricidad de inducción. Faraday realiza muchos experimentos, mantiene notas pedantes. Dedica un párrafo a cada pequeño estudio en sus notas de laboratorio (publicadas en Londres en su totalidad en 1931 bajo el título "Diario de Faraday"). Al menos el hecho de que el último párrafo del Diario esté marcado con el número 16041 habla de la eficiencia de Faraday.

Además de una convicción intuitiva en la conexión universal de los fenómenos, nada, de hecho, lo apoyó en su búsqueda de "electricidad a partir del magnetismo". Además, él, al igual que su maestra Devi, se basó más en sus propios experimentos que en construcciones mentales. Davy le enseñó:

“Un buen experimento tiene más valor que la consideración de un genio como Newton.

Sin embargo, fue Faraday quien estaba destinado a grandes descubrimientos. Gran realista, rompió espontáneamente las cadenas del empirismo, una vez que Devi le había impuesto, y en esos momentos se le apareció una gran intuición: adquirió la capacidad de las generalizaciones más profundas.

El primer rayo de suerte apareció solo el 29 de agosto de 1831. Ese día, Faraday estaba probando un dispositivo simple en el laboratorio: un anillo de hierro de unas seis pulgadas de diámetro, envuelto alrededor de dos piezas de alambre aislado. Cuando Faraday conectó una batería a los terminales de un devanado, su asistente, el sargento de artillería Andersen, vio que la aguja de un galvanómetro conectado al otro devanado se contraía.

Se retorció y se calmó, aunque la corriente continua siguió fluyendo por el primer devanado. Faraday revisó cuidadosamente todos los detalles de esta sencilla instalación: todo estaba en orden.

Pero la aguja del galvanómetro obstinadamente se mantuvo en cero. Molesto, Faraday decidió apagar la corriente, y luego ocurrió un milagro: durante la apertura del circuito, la aguja del galvanómetro osciló una y otra vez y se congeló en cero.

El galvanómetro, permaneciendo perfectamente inmóvil durante todo el paso de la corriente, comienza a oscilar cuando el circuito se cierra y cuando se abre. Resultó que en el momento en que se pasa una corriente al primer cable, y también cuando se detiene esta transmisión, también se excita una corriente en el segundo cable, que en el primer caso tiene la dirección opuesta a la primera corriente y es el lo mismo en el segundo caso y dura sólo un instante.

Fue aquí donde las grandes ideas de Ampere, la conexión entre la corriente eléctrica y el magnetismo, se revelaron con toda claridad a Faraday. Después de todo, el primer devanado al que aplicó corriente se convirtió inmediatamente en un imán. Si lo consideramos como un imán, entonces el experimento del 29 de agosto mostró que el magnetismo parecía dar lugar a la electricidad. Solo dos cosas permanecieron extrañas en este caso: ¿por qué la oleada de electricidad cuando se encendió el electroimán se desvaneció rápidamente? Y además, ¿por qué aparece la sobretensión cuando el imán está apagado?

Al día siguiente, 30 de agosto, una nueva serie de experimentos. El efecto se expresa claramente, pero sin embargo es completamente incomprensible.

Faraday siente que la apertura está en algún lugar cercano.

“Ahora estoy nuevamente comprometido con el electromagnetismo y creo que he atacado algo exitoso, pero aún no puedo confirmarlo. Es muy posible que después de todo mi trabajo, eventualmente saque algas en lugar de peces.

A la mañana siguiente, 24 de septiembre, Faraday había preparado mucho varios dispositivos, en el que los elementos principales ya no eran bobinados con corriente eléctrica, sino magnetos permanentes. ¡Y también hubo un efecto! La flecha se desvió e inmediatamente se precipitó en su lugar. Este ligero movimiento se produjo durante las manipulaciones más inesperadas con el imán, a veces, al parecer, por casualidad.

El próximo experimento es el 1 de octubre. Faraday decide volver al principio, a dos devanados: uno con corriente y el otro conectado a un galvanómetro. La diferencia con el primer experimento es la ausencia de un anillo de acero: el núcleo. El chapoteo es casi imperceptible. El resultado es trivial. Está claro que un imán sin núcleo es mucho más débil que un imán con núcleo. Por lo tanto, el efecto es menos pronunciado.

Faraday está decepcionado. Durante dos semanas no se acerca a los instrumentos, pensando en los motivos de la falla.

"Tomé una barra magnética cilíndrica (3/4" de diámetro y 8 1/4" de largo) e inserté un extremo en una espiral de alambre de cobre(220 pies de largo) conectado a un galvanómetro. Luego, con un movimiento rápido, empujé el imán a lo largo de toda la espiral y la aguja del galvanómetro experimentó una sacudida. Luego saqué el imán de la espiral con la misma rapidez y la aguja volvió a girar, pero en la dirección opuesta. Estos movimientos de la aguja se repetían cada vez que el imán se empujaba hacia adentro o hacia afuera".

¡El secreto está en el movimiento del imán! ¡El impulso de la electricidad no está determinado por la posición del imán, sino por el movimiento!

Esto significa que "una onda eléctrica surge solo cuando el imán se mueve, y no debido a las propiedades inherentes a él en reposo".

Arroz. 2. Experimento de Faraday con una bobina

Esta idea es notablemente fructífera. Si el movimiento de un imán relativo a un conductor crea electricidad, entonces, aparentemente, ¡el movimiento de un conductor relativo a un imán también debe generar electricidad! Además, esta "onda eléctrica" no desaparecerá mientras continúe el movimiento mutuo del conductor y el imán. Esto significa que es posible crear un generador de corriente eléctrica que funcione durante un tiempo arbitrariamente largo, ¡mientras continúe el movimiento mutuo del alambre y el imán!

El 28 de octubre, Faraday instaló un disco de cobre giratorio entre los polos de un imán de herradura, del cual, con la ayuda de contactos deslizantes (uno en el eje, el otro en la periferia del disco), fue posible quitar voltaje electrico. fue el primero generador eléctrico creado por manos humanas. Así que se encontró una nueva fuente. energía eléctrica, además de los ya conocidos (fricción y procesos quimicos), es inducción, y el nuevo tipo de esta energía es electricidad de inducción.

Experimentos similares a los de Faraday, como ya se mencionó, se llevaron a cabo en Francia y Suiza. Colladon, profesor de la Academia de Ginebra, era un experimentador sofisticado (por ejemplo, realizó mediciones precisas de la velocidad del sonido en el agua del lago de Ginebra). Quizá, temiendo la sacudida de los instrumentos, él, como Faraday, retiró el galvanómetro lo más lejos posible del resto de la instalación. Muchos afirmaron que Colladon observó los mismos movimientos fugaces de la flecha que Faraday, pero, esperando un efecto más estable y duradero, no le dio la debida importancia a estos estallidos "aleatorios"...

De hecho, la opinión de la mayoría de los científicos de esa época era que el efecto inverso de "crear electricidad a partir del magnetismo" debería, aparentemente, tener el mismo carácter estacionario que el efecto "directo": "formar magnetismo" debido a la corriente eléctrica. La inesperada "transigencia" de este efecto desconcertó a muchos, incluido Colladon, y estos muchos pagaron por su perjuicio.

Continuando con sus experimentos, Faraday descubrió además que una simple aproximación de un cable retorcido en una curva cerrada a otro, a lo largo del cual fluye una corriente galvánica, es suficiente para excitar una corriente inductiva en la dirección opuesta a la corriente galvánica en un cable neutro, que la retirada de un hilo neutro vuelve a excitar en él una corriente inductiva, la corriente ya va en el mismo sentido que la corriente galvánica que circula por un hilo fijo, y que, finalmente, estas corrientes inductivas se excitan sólo durante la aproximación y retirada de los alambre al conductor de la corriente galvánica, y sin este movimiento, las corrientes no se excitan, no importa cuán cerca estén los alambres entre sí.

Así, se descubrió un nuevo fenómeno, similar al fenómeno de inducción descrito anteriormente durante el cierre y terminación de la corriente galvánica. Estos descubrimientos, a su vez, dieron lugar a otros nuevos. Si es posible producir una corriente inductiva cerrando y deteniendo la corriente galvánica, ¿no se obtendría el mismo resultado de la magnetización y desmagnetización del hierro?

El trabajo de Oersted y Ampère ya había establecido la relación entre magnetismo y electricidad. Se sabía que el hierro se convertía en imán cuando se enrollaba alrededor de él un alambre aislado y pasaba a través de él una corriente galvánica, y que las propiedades magnéticas de este hierro cesaban tan pronto como cesaba la corriente.

Basado en esto, Faraday ideó este tipo de experimento: dos cables aislados se enrollaron alrededor de un anillo de hierro; además, un cable estaba enrollado alrededor de la mitad del anillo y el otro alrededor del otro. La corriente de una batería galvánica se pasó a través de un cable y los extremos del otro se conectaron a un galvanómetro. Y así, cuando la corriente se cerró o se detuvo, y cuando, en consecuencia, el anillo de hierro se magnetizó o desmagnetizó, la aguja del galvanómetro osciló rápidamente y luego se detuvo rápidamente, es decir, todas las mismas corrientes inductivas instantáneas se excitaron en el cable neutro: esto tiempo: ya bajo la influencia del magnetismo.

Arroz. 3. El experimento de Faraday con un anillo de hierro

Así, aquí, por primera vez, el magnetismo se convirtió en electricidad. Habiendo recibido estos resultados, Faraday decidió diversificar sus experimentos. En lugar de un anillo de hierro, comenzó a usar una banda de hierro. En lugar de excitar el magnetismo del hierro con una corriente galvánica, magnetizó el hierro tocándolo con un imán permanente de acero. El resultado fue el mismo: en el alambre enrollado alrededor del hierro, siempre se excitaba una corriente en el momento de la magnetización y desmagnetización del hierro. Luego, Faraday introdujo un imán de acero en la espiral del cable: la aproximación y la eliminación de este último provocaron corrientes de inducción en el cable. En una palabra, el magnetismo, en el sentido de excitación de corrientes inductivas, actuaba exactamente del mismo modo que la corriente galvánica.

En ese momento, los físicos estaban intensamente ocupados con un fenómeno misterioso descubierto en 1824 por Arago y no encontraron una explicación, a pesar de que científicos tan destacados de la época como el propio Arago, Ampère, Poisson, Babaj y Herschel estaban buscando intensamente este explicación. El asunto era el siguiente. Una aguja magnética, que cuelga libremente, se detiene rápidamente si se coloca debajo de ella un círculo de metal no magnético; si luego se pone el círculo en movimiento de rotación, la aguja magnética comienza a seguirlo.

En un estado de calma, era imposible descubrir la más mínima atracción o repulsión entre el círculo y la flecha, mientras que el mismo círculo, que estaba en movimiento, arrastraba detrás de sí no solo una flecha ligera, sino también un imán pesado. Este fenómeno verdaderamente milagroso les pareció a los científicos de la época un enigma misterioso, algo más allá de lo natural. Faraday, basándose en los datos anteriores, supuso que un círculo de metal no magnético, bajo la influencia de un imán, circula durante la rotación por corrientes inductivas que afectan la aguja magnética y la atraen detrás del imán. De hecho, al insertar el borde del círculo entre los polos de un gran imán en forma de herradura y conectar el centro y el borde del círculo con un galvanómetro con un cable, Faraday recibió una corriente eléctrica constante durante la rotación del círculo.

A raíz de esto, Faraday se decidió por otro fenómeno que entonces despertaba la curiosidad general. Como saben, si se rocían limaduras de hierro sobre un imán, se agrupan a lo largo de ciertas líneas, llamadas curvas magnéticas. Faraday, llamando la atención sobre este fenómeno, dio las bases en 1831 a las curvas magnéticas, el nombre de "líneas de fuerza magnética", que luego pasó a ser de uso general. El estudio de estas "líneas" llevó a Faraday a un nuevo descubrimiento, resultó que para la excitación de corrientes inductivas, el acercamiento y la eliminación de la fuente de polo magnético son opcionales. Para excitar corrientes, basta cruzar las líneas de fuerza magnética de forma conocida.

Arroz. 4. "Líneas de fuerza magnética"

Otros trabajos de Faraday en la dirección mencionada adquirieron, desde el punto de vista moderno, el carácter de algo completamente milagroso. A principios de 1832, hizo una demostración de un aparato en el que se excitaban corrientes inductivas sin la ayuda de un imán o corriente galvánica. El dispositivo consistía en una tira de hierro colocada en una bobina de alambre. Este dispositivo, en condiciones ordinarias, no dio la menor señal de aparición de corrientes en él; pero tan pronto como se le dio una dirección correspondiente a la dirección de la aguja magnética, se excitó una corriente en el alambre.

Luego, Faraday dio la posición de la aguja magnética a una bobina y luego introdujo una tira de hierro en ella: la corriente se excitó nuevamente. El motivo que provocaba la corriente en estos casos era el magnetismo terrestre, que provocaba corrientes inductivas como un imán ordinario o corriente galvánica. Para mostrar y probar esto más claramente, Faraday emprendió otro experimento que confirmó completamente sus ideas.

Él razonó que si un círculo de metal no magnético, por ejemplo, cobre, girando en una posición en la que se cruza con las líneas de fuerza magnética de un imán vecino, da una corriente inductiva, entonces el mismo círculo, girando en ausencia de un imán, pero en una posición en la que el círculo cruzará las líneas del magnetismo terrestre, también debe dar una corriente inductiva. De hecho, un círculo de cobre giraba en plano horizontal, dio una corriente inductiva que produjo una desviación notable de la aguja del galvanómetro. Faraday completó una serie de estudios en el campo de la inducción eléctrica con el descubrimiento, realizado en 1835, del "efecto inductivo de la corriente sobre sí misma".

Descubrió que cuando se cierra o abre una corriente galvánica, se excitan corrientes inductivas instantáneas en el propio cable, que sirve como conductor para esta corriente.

El físico ruso Emil Khristoforovich Lenz (1804-1861) dio una regla para determinar la dirección de la corriente inducida. “La corriente de inducción siempre se dirige de tal manera que el campo magnético que crea impide o ralentiza el movimiento que provoca la inducción”, señala A.A. Korobko-Stefanov en su artículo sobre inducción electromagnética. - Por ejemplo, cuando la bobina se acerca al imán, la resultante corriente de inducción tiene una dirección tal que el campo magnético creado por él será opuesto al campo magnético del imán. Como resultado, surgen fuerzas de repulsión entre la bobina y el imán. La regla de Lenz se deriva de la ley de conservación y transformación de la energía. Si las corrientes de inducción aceleraran el movimiento que las causó, entonces se crearía trabajo de la nada. La bobina misma, después de un pequeño empujón, se precipitaría hacia el imán y, al mismo tiempo, la corriente de inducción liberaría calor en él. En realidad, la corriente de inducción se crea debido al trabajo de acercar el imán y la bobina.

Arroz. 5. Regla de Lenz

¿Por qué hay una corriente inducida? Una explicación profunda del fenómeno de la inducción electromagnética fue dada por el físico inglés James Clerk Maxwell, el creador de la completa teoría matemática campo electromagnetico. Para comprender mejor la esencia del asunto, considere un experimento muy simple. Deje que la bobina consista en una vuelta de alambre y sea atravesada por un campo magnético alterno perpendicular al plano de la vuelta. En la bobina, por supuesto, hay una corriente de inducción. Maxwell interpretó este experimento con un coraje excepcional e inesperado.

Cuando el campo magnético cambia en el espacio, según Maxwell, surge un proceso para el cual la presencia de una bobina de alambre no tiene importancia. Lo principal aquí es la aparición de cerrado lineas circulares campo eléctrico cubriendo un campo magnético cambiante. Bajo la acción del campo eléctrico emergente, los electrones comienzan a moverse y surge una corriente eléctrica en la bobina. Una bobina es solo un dispositivo que le permite detectar un campo eléctrico. La esencia del fenómeno de la inducción electromagnética es que un campo magnético alterno siempre genera un campo eléctrico con líneas de fuerza cerradas en el espacio circundante. Tal campo se llama campo de vórtice.

Investigación en el campo de la inducción producida magnetismo terrestre, le dio a Faraday la oportunidad de expresar la idea del telégrafo allá por 1832, que luego formó la base de este invento. En general, el descubrimiento de la inducción electromagnética no se atribuye sin razón a los descubrimientos más destacados del siglo XIX: el trabajo de millones de motores eléctricos y generadores de corriente eléctrica en todo el mundo se basa en este fenómeno ...

Aplicación práctica del fenómeno de la inducción electromagnética

1. Radiodifusión

Un campo magnético alterno, excitado por una corriente cambiante, crea un campo eléctrico en el espacio circundante, que a su vez excita un campo magnético, y así sucesivamente. Al generarse mutuamente, estos campos forman un solo campo electromagnético variable: una onda electromagnética. Habiendo surgido en el lugar donde hay un cable con corriente, el campo electromagnético se propaga en el espacio a la velocidad de la luz -300.000 km/s.

Arroz. 6 radio

2. Magnetoterapia

En el espectro de frecuencia diferentes lugares ocupado por ondas de radio, luz, rayos X y otros radiación electromagnética. Por lo general, se caracterizan por campos eléctricos y magnéticos continuamente interconectados.

3. Sincrofasotrones

En la actualidad, un campo magnético se entiende como una forma especial de materia formada por partículas cargadas. En la física moderna, se utilizan haces de partículas cargadas para penetrar profundamente en los átomos con el fin de estudiarlos. La fuerza con la que un campo magnético actúa sobre una partícula cargada en movimiento se denomina fuerza de Lorentz.

4. Medidores de flujo

El método se basa en la aplicación de la ley de Faraday para un conductor en un campo magnético: en el flujo de un líquido eléctricamente conductor que se mueve en un campo magnético, se induce una FEM proporcional a la velocidad del flujo, que es convertida por la parte electrónica en una señal eléctrica analógica/digital.

5. Generador de CC

En el modo generador, la armadura de la máquina gira bajo la influencia de un momento externo. Entre los polos del estator hay una constante flujo magnético ancla perforante. Los conductores del devanado del inducido se mueven en un campo magnético y, por lo tanto, se les induce una FEM, cuya dirección puede determinarse mediante la regla " mano derecha". En este caso, surge un potencial positivo en un cepillo en relación con el segundo. Si se conecta una carga a los terminales del generador, fluirá una corriente en él.

6. Transformadores

Los transformadores son ampliamente utilizados en la transmisión de energía eléctrica a largas distancias, su distribución entre receptores, así como en diversos dispositivos de rectificación, amplificación, señalización y otros.

La transformación de energía en el transformador se realiza mediante un campo magnético alterno. El transformador es un núcleo de placas de acero delgadas aisladas entre sí, sobre las cuales se colocan dos y, a veces, más devanados (bobinas) de cable aislado. El devanado al que está conectada la fuente de energía eléctrica. corriente alterna, se llama devanado primario, los devanados restantes se llaman secundario.

Si se enrollan tres veces más vueltas en el devanado secundario del transformador que en el primario, entonces el campo magnético creado en el núcleo por el devanado primario, cruzando las vueltas del devanado secundario, creará tres veces más voltaje en él.

Usando un transformador con una relación inversa de vueltas, puede obtener un voltaje reducido con la misma facilidad y sencillez.

Lista de literatura usada

1. [recurso electrónico]. Inducción electromagnética.

< https://ru.wikipedia.org/>

2. [Recurso electrónico].Faraday. Descubrimiento de la inducción electromagnética.

< http://www.e-reading.club/chapter.php/26178/78/Karcev_-_Maksvell.html >

3. [Recurso electrónico]. Descubrimiento de la inducción electromagnética.

4. [Recurso electrónico]. Aplicación práctica del fenómeno de la inducción electromagnética.

El generador de corriente alterna más simple es un marco de alambre que gira uniformemente con una velocidad angular w = constante en un campo magnético uniforme con inducción EN(Figura 4.5). El flujo de inducción magnética que penetra en un marco con un área S, es igual a

Con rotación uniforme del marco, el ángulo de rotación , donde es la frecuencia de rotación. Luego

De acuerdo con la ley de inducción electromagnética, la EMF inducida en el marco de su rotación,

Si se conecta una carga (consumidor de electricidad) a las abrazaderas del marco mediante un aparato de contacto de cepillo, la corriente alterna fluirá a través de él.
Para la producción industrial de electricidad en las centrales eléctricas se utilizan generadores síncronos(turbogeneradores, si la central es térmica o nuclear, e hidrogeneradores, si la central es hidráulica). La parte estacionaria de un generador síncrono se llama estator, y girando - rotor(Figura 4.6). El rotor del generador tiene un devanado de CC (devanado de excitación) y es un potente electroimán. La corriente continua suministrada al devanado de excitación a través del aparato de contacto de escobillas magnetiza el rotor y, en este caso, un electroimán con un norte y un polos sur.
En el estator del generador hay tres devanados de corriente alterna, que están desplazados entre sí por 120 0 y están interconectados de acuerdo con un cierto circuito de conmutación.
Cuando un rotor excitado gira con la ayuda de una turbina de vapor o hidráulica, sus polos pasan por debajo de los devanados del estator, y en ellos se induce una fuerza electromotriz que cambia según una ley armónica. A continuación, el generador según un cierto esquema. red eléctrica conectado a los nodos de consumo de energía.
Si transfiere electricidad desde los generadores de las estaciones a los consumidores a través de las líneas eléctricas directamente (a la tensión del generador, que es relativamente pequeña), se producirán grandes pérdidas de energía y tensión en la red (preste atención a las proporciones , ). Por lo tanto, para el transporte económico de electricidad, es necesario reducir la intensidad de la corriente. Pero dado que la potencia transmitida permanece sin cambios, el voltaje debe aumentar en el mismo factor que la corriente disminuye.
En el consumidor de electricidad, a su vez, el voltaje debe reducirse al nivel requerido. Los dispositivos eléctricos en los que el voltaje aumenta o disminuye un número determinado de veces se denominan transformadores. El trabajo del transformador también se basa en la ley de inducción electromagnética.

Considere el principio de funcionamiento de un transformador de dos devanados (Fig. 4.7). Cuando una corriente alterna pasa a través del devanado primario, surge un campo magnético alterno a su alrededor con inducción. EN, cuyo caudal también es variable . El núcleo del transformador sirve para dirigir el flujo magnético (la resistencia magnética del aire es alta). Un flujo magnético variable, cerrando a lo largo del núcleo, induce una FEM variable en cada uno de los devanados:

Luego Para transformadores potentes, las resistencias de las bobinas son muy pequeñas, por lo que los voltajes en los terminales de los devanados primario y secundario son aproximadamente iguales a la FEM:

donde k- relación de transformación. En k1 () el transformador es encapotado.
Cuando se conecta al devanado secundario de un transformador de carga, la corriente fluirá por él. Con un aumento en el consumo de electricidad, de acuerdo con la ley de conservación de la energía, la energía emitida por los generadores de la estación debe aumentar, es decir

donde

Esto significa que al aumentar el voltaje en k veces, es posible reducir la intensidad de la corriente en el circuito en la misma cantidad (en este caso, las pérdidas de Joule disminuyen en k2 una vez).

Breves conclusiones

El fenómeno de la aparición de EMF en un circuito conductor cerrado ubicado en un campo magnético alterno se denomina inducción electromagnética.

2. De acuerdo con la ley de inducción electromagnética, la FEM de inducción en un circuito conductor cerrado es numéricamente igual y de signo opuesto a la tasa de cambio del flujo magnético a través de la superficie delimitada por este circuito:

El signo menos refleja la regla de Lenz: con cualquier cambio en el flujo magnético a través de un circuito conductor cerrado, surge una corriente de inducción en este último en tal dirección que su campo magnético contrarresta un cambio en el flujo magnético externo.

La esencia del fenómeno de la inducción electromagnética radica no tanto en la aparición de una corriente de inducción como en la aparición de un campo eléctrico de vórtice. Un campo eléctrico de vórtice es generado por un campo magnético alterno. a diferencia de campo electrostático el campo eléctrico del vórtice no es potencial, sus líneas de fuerza siempre están cerradas, como lineas de fuerza campo magnético.

El estudio de la aparición de corriente eléctrica siempre ha preocupado a los científicos. después de en principios del XIX siglo, el científico danés Oersted descubrió que un campo magnético surge alrededor de una corriente eléctrica, los científicos se preguntaron si un campo magnético podría generar una corriente eléctrica y viceversa.El primer científico que lo logró fue el científico Michael Faraday.

experimentos de faraday

Después de numerosos experimentos, Faraday pudo lograr algunos resultados.

1. La aparición de corriente eléctrica.

Para realizar el experimento, tomó una bobina con gran cantidad gira y lo conectó a un miliamperímetro (un dispositivo que mide la corriente). En dirección hacia arriba y hacia abajo, el científico movió el imán alrededor de la bobina.

Durante el experimento, apareció una corriente eléctrica en la bobina debido a un cambio en el campo magnético a su alrededor.

Según las observaciones de Faraday, la aguja del miliamperímetro se desvió e indicó que el movimiento del imán genera una corriente eléctrica. Cuando el imán se detuvo, la flecha mostró cero marcas, es decir, no circula corriente en el circuito.

arroz. 1 Cambio en la intensidad de la corriente en la bobina debido al movimiento del rechazo

Este fenómeno, en el que la corriente se produce bajo la influencia de un campo magnético alterno en el conductor, se denominó fenómeno de inducción electromagnética.

2. Cambiar la dirección de la corriente de inducción

En su investigación posterior, Michael Faraday trató de averiguar qué influye en la dirección de la corriente eléctrica inductiva resultante. Mientras realizaba experimentos, notó que al cambiar el número de bobinas en la bobina o la polaridad de los imanes, cambia la dirección de la corriente eléctrica que ocurre en una red cerrada.

3. El fenómeno de la inducción electromagnética.

Para realizar el experimento, el científico tomó dos bobinas, que colocó cerca una de la otra. La primera bobina, que tenía una gran cantidad de vueltas de alambre, estaba conectada a una fuente de corriente y una llave que cerraba y abría el circuito. Conectó la segunda misma bobina a un miliamperímetro sin estar conectado a una fuente de corriente.

Mientras realizaba un experimento, Faraday notó que cuando se cierra un circuito eléctrico, se produce una corriente inducida, que se puede ver en el movimiento de la flecha de un miliamperímetro. Cuando se abrió el circuito, el miliamperímetro también mostró que había corriente eléctrica en el circuito, pero las lecturas fueron exactamente opuestas. Cuando el circuito estaba cerrado y la corriente circulaba uniformemente, no había corriente en el circuito eléctrico según los datos del miliamperímetro.

https://youtu.be/iVYEeX5mTJ8

Conclusión de los experimentos.

Como resultado del descubrimiento de Faraday, se comprobó la siguiente hipótesis: la corriente eléctrica aparece solo cuando cambia el campo magnético. También se ha comprobado que cambiando el número de vueltas en la bobina cambia el valor de la corriente (aumentando las bobinas aumenta la corriente). Además, una corriente eléctrica inducida puede aparecer en un circuito cerrado solo en presencia de un campo magnético alterno.

¿Qué determina la corriente eléctrica inductiva?

En base a todo lo anterior, se puede notar que aunque exista un campo magnético, no dará lugar a la aparición de una corriente eléctrica, si este campo no es alterno.

Entonces, ¿de qué depende la magnitud del campo de inducción?

El número de vueltas en la bobina;
La tasa de cambio del campo magnético;
La velocidad del imán.

El flujo magnético es una cantidad que caracteriza un campo magnético. Cambiando, el flujo magnético conduce a un cambio en la corriente eléctrica inducida.

Fig. 2 Cambio en la intensidad de la corriente al mover a) la bobina en la que se encuentra el solenoide; b) un imán permanente insertándolo en la bobina

Ley de Faraday

Basado en los experimentos, Michael Faraday formuló la ley de la inducción electromagnética. La ley es que, cuando un campo magnético cambia, da lugar a la aparición de una corriente eléctrica, mientras que la corriente indica la presencia de una fuerza electromotriz de inducción electromagnética (EMF).

Velocidad corriente magnética cambiar implica un cambio en la velocidad de la corriente y EMF.

Ley de Faraday: La FEM de la inducción electromagnética es numéricamente igual y de signo opuesto a la tasa de cambio del flujo magnético que pasa a través de una superficie delimitada por un contorno.

Inductancia de bucle. Autoinducción.

Se crea un campo magnético cuando la corriente fluye en un circuito cerrado. En este caso, la intensidad de la corriente afecta el flujo magnético e induce un EMF.

La autoinducción es un fenómeno en el que la fem de inducción se produce cuando cambia la intensidad de la corriente en el circuito.

La autoinducción varía según las características de la forma del circuito, sus dimensiones y el entorno que lo contiene.

A medida que aumenta la corriente eléctrica, la corriente autoinductiva del bucle puede ralentizarla. Cuando disminuye, la corriente de autoinducción, por el contrario, no permite que disminuya tan rápidamente. Así, el circuito empieza a tener su inercia eléctrica, frenando cualquier cambio de corriente.

Aplicación de fem inducida

El fenómeno de la inducción electromagnética tiene una aplicación práctica en generadores, transformadores y motores que funcionan con electricidad.

En este caso, la corriente para estos fines se obtiene de las siguientes formas:

Cambio de corriente en la bobina;
El movimiento del campo magnético a través de imanes permanentes y electroimanes;
La rotación de bobinas o bobinas en un campo magnético constante.

El descubrimiento de la inducción electromagnética por Michael Faraday supuso una gran contribución a la ciencia ya nuestra vida cotidiana. Este descubrimiento sirvió de ímpetu para nuevos descubrimientos en el campo del estudio de los campos electromagnéticos y es ampliamente utilizado en vida moderna de la gente.

Ya sabemos que una corriente eléctrica, al moverse a través de un conductor, crea un campo magnético a su alrededor. En base a este fenómeno, el hombre ha inventado y utiliza ampliamente una gran variedad de electroimanes. Pero surge la pregunta: si cargas eléctricas, en movimiento, provocan la aparición de un campo magnético, pero ¿no funciona esto y viceversa?

Es decir, ¿puede un campo magnético hacer que fluya una corriente eléctrica en un conductor? En 1831, Michael Faraday descubrió que en un circuito eléctrico conductor cerrado, cuando cambia un campo magnético, surge una corriente eléctrica. Tal corriente se denominó corriente de inducción, y el fenómeno de la aparición de una corriente en un circuito conductor cerrado con un cambio en el campo magnético que penetra en este circuito se denomina inducción electromagnética.

El fenómeno de la inducción electromagnética.

El nombre "electromagnético" en sí consta de dos partes: "electro" y "magnético". Los fenómenos eléctricos y magnéticos están íntimamente ligados entre sí. Y si las cargas eléctricas, moviéndose, cambian el campo magnético a su alrededor, entonces el campo magnético, cambiando, quiera o no haga que las cargas eléctricas se muevan, formando una corriente eléctrica.

En este caso, es el campo magnético cambiante el que provoca la aparición de una corriente eléctrica. Un campo magnético constante no provocará el movimiento de cargas eléctricas y, en consecuencia, no se formará una corriente de inducción. Una consideración más detallada del fenómeno de la inducción electromagnética, la derivación de fórmulas y la ley de la inducción electromagnética se refiere al curso del noveno grado.

Aplicación de la inducción electromagnética

En este artículo, hablaremos sobre el uso de la inducción electromagnética. El funcionamiento de muchos motores y generadores de corriente se basa en el uso de las leyes de la inducción electromagnética. El principio de su trabajo es bastante simple de entender.

Se puede provocar un cambio en el campo magnético, por ejemplo, moviendo un imán. Por lo tanto, si un imán se mueve dentro de un circuito cerrado por la influencia de un tercero, aparecerá una corriente en este circuito. Entonces puedes crear un generador de corriente.

Si, por el contrario, una corriente de una fuente de terceros pasa a través del circuito, entonces el imán dentro del circuito comenzará a moverse bajo la influencia del campo magnético generado por la corriente eléctrica. De esta forma, se puede montar un motor eléctrico.

Los generadores de corriente descritos anteriormente convierten la energía mecánica en energía eléctrica en las centrales eléctricas. La energía mecánica es la energía del carbón, el combustible diesel, el viento, el agua, etc. La electricidad se suministra por cables a los consumidores y allí se convierte de nuevo en energía mecánica en motores eléctricos.

Los motores eléctricos de aspiradoras, secadores de pelo, batidoras, hieleras, picadoras de carne eléctricas y muchos otros dispositivos que usamos a diario se basan en el uso de inducción electromagnética y fuerzas magnéticas. No hace falta hablar del uso de estos mismos fenómenos en la industria, está claro que es omnipresente.

El fenómeno de la inducción electromagnética se utiliza principalmente para convertir energía mecánica en energía de corriente eléctrica. Para ello, aplica alternadores(generadores de inducción). El generador de corriente alterna más simple es un marco de alambre que gira uniformemente con una velocidad angular w= constante en un campo magnético uniforme con inducción EN(Figura 4.5). El flujo de inducción magnética que penetra en un marco con un área S, es igual a

Con rotación uniforme del marco, el ángulo de rotación , donde es la frecuencia de rotación. Luego

De acuerdo con la ley de la inducción electromagnética, la FEM inducida en el marco en
su rotación,

Si se conecta una carga (consumidor de electricidad) a las abrazaderas del marco mediante un aparato de contacto de cepillo, la corriente alterna fluirá a través de él.

Para la producción industrial de electricidad en las centrales eléctricas se utilizan generadores síncronos(turbogeneradores, si la central es térmica o nuclear, e hidrogeneradores, si la central es hidráulica). La parte estacionaria de un generador síncrono se llama estator, y girando - rotor(Figura 4.6). El rotor del generador tiene un devanado de CC (devanado de excitación) y es un potente electroimán. Corriente CC aplicada a
el devanado de excitación a través del aparato de contacto de escobilla magnetiza el rotor, y en este caso se forma un electroimán con polos norte y sur.

En el estator del generador hay tres devanados de corriente alterna, que están desplazados entre sí por 120 0 y están interconectados de acuerdo con un cierto circuito de conmutación.

Cuando un rotor excitado gira con la ayuda de una turbina de vapor o hidráulica, sus polos pasan por debajo de los devanados del estator, y en ellos se induce una fuerza electromotriz que cambia según una ley armónica. Además, el generador, de acuerdo con un determinado esquema de la red eléctrica, está conectado a los nodos de consumo de electricidad.

Si transfiere electricidad desde los generadores de las estaciones a los consumidores a través de las líneas eléctricas directamente (a la tensión del generador, que es relativamente pequeña), se producirán grandes pérdidas de energía y tensión en la red (preste atención a las proporciones , ). Por lo tanto, para el transporte económico de electricidad, es necesario reducir la intensidad de la corriente. Sin embargo, dado que la potencia transmitida permanece sin cambios, el voltaje debe
aumenta por el mismo factor que la corriente disminuye.

En el consumidor de electricidad, a su vez, el voltaje debe reducirse al nivel requerido. Los dispositivos eléctricos en los que el voltaje aumenta o disminuye un número determinado de veces se denominan transformadores. El trabajo del transformador también se basa en la ley de inducción electromagnética.

El núcleo del transformador sirve para dirigir el flujo magnético (la resistencia magnética del aire es alta). Un flujo magnético variable, cerrando a lo largo del núcleo, induce una FEM variable en cada uno de los devanados:

En transformadores potentes, las resistencias de las bobinas son muy pequeñas,
por lo tanto, los voltajes en las terminales de los devanados primario y secundario son aproximadamente iguales a la FEM:

donde k- relación de transformación. En k<1 () el transformador es levantamiento, en k>1 () el transformador es encapotado.

Cuando se conecta al devanado secundario de un transformador de carga, la corriente fluirá por él. Con un aumento en el consumo de electricidad según la ley
conservación de energía, la energía que desprenden los generadores de la central debe aumentar, es decir

Esto significa que al aumentar el voltaje con un transformador
en k veces, es posible reducir la intensidad de la corriente en el circuito en la misma cantidad (en este caso, las pérdidas de Joule disminuyen en k 2 veces).

Tema 17. Fundamentos de la teoría de Maxwell para el campo electromagnético. Ondas electromagnéticas

En los años 60. Siglo 19 El científico inglés J. Maxwell (1831-1879) resumió las leyes establecidas experimentalmente de los campos eléctricos y magnéticos y creó un sistema unificado completo teoría del campo electromagnético. Te permite decidir la tarea principal de la electrodinámica: encontrar las características del campo electromagnético de un sistema dado de cargas y corrientes eléctricas.

Maxwell planteó la hipótesis de que cualquier campo magnético alterno excita un campo eléctrico de vórtice en el espacio circundante, cuya circulación es la causa de la fem de inducción electromagnética en el circuito:

(5.1)

La ecuación (5.1) se llama La segunda ecuación de Maxwell. El significado de esta ecuación es que un campo magnético cambiante genera un campo eléctrico de vórtice, y este último, a su vez, provoca un campo magnético cambiante en el dieléctrico o vacío circundante. Dado que el campo magnético es creado por una corriente eléctrica, entonces, según Maxwell, el campo eléctrico de vórtice debe considerarse como una cierta corriente,
que fluye tanto en un dieléctrico como en el vacío. Maxwell llamó a esta corriente corriente de polarización.

Corriente de desplazamiento, como sigue de la teoría de Maxwell
y los experimentos de Eichenwald, crea el mismo campo magnético que la corriente de conducción.

En su teoría, Maxwell introdujo el concepto plena corriente igual a la suma
Corrientes de conducción y desplazamiento. Por lo tanto, la densidad de corriente total

Según Maxwell, la corriente total en el circuito siempre es cerrada, es decir, solo la corriente de conducción se rompe en los extremos de los conductores, y en el dieléctrico (vacío) entre los extremos del conductor hay una corriente de desplazamiento que cierra el corriente de conducción

Introduciendo el concepto de corriente total, Maxwell generalizó el teorema de circulación vectorial (o ):

(5.6)

La ecuación (5.6) se llama La primera ecuación de Maxwell en forma integral. Es una ley generalizada de la corriente total y expresa la posición principal de la teoría electromagnética: las corrientes de desplazamiento crean los mismos campos magnéticos que las corrientes de conducción.

La teoría macroscópica unificada del campo electromagnético creada por Maxwell hizo posible, desde un punto de vista unificado, no solo explicar los fenómenos eléctricos y magnéticos, sino predecir otros nuevos, cuya existencia se confirmó posteriormente en la práctica (por ejemplo, el descubrimiento ondas electromagnéticas).

Resumiendo las disposiciones discutidas anteriormente, presentamos las ecuaciones que forman la base de la teoría electromagnética de Maxwell.

1. Teorema sobre la circulación del vector del campo magnético:

Esta ecuación muestra que los campos magnéticos pueden crearse mediante cargas en movimiento ( Corrientes eléctricas), o campos eléctricos alternos.

2. Campo eléctrico puede ser tanto potencial () como vórtice (), por lo que la intensidad de campo total . Dado que la circulación del vector es igual a cero, entonces la circulación del vector de la fuerza del campo eléctrico total

Esta ecuación muestra que las fuentes del campo eléctrico pueden ser no solo cargas eléctricas, sino también campos magnéticos variables en el tiempo.

3. ,

donde es la densidad de carga volumétrica dentro de la superficie cerrada; es la conductividad específica de la sustancia.

Para campos estacionarios ( mi = constante , B= const) Las ecuaciones de Maxwell toman la forma

es decir, las fuentes del campo magnético en este caso son solo
corrientes de conducción, y las fuentes del campo eléctrico son sólo cargas eléctricas. En este caso particular, los campos eléctrico y magnético son independientes entre sí, lo que permite estudiar por separado permanente campos eléctricos y magnéticos.

Usando lo conocido del análisis vectorial Teoremas de Stokes y Gauss, uno puede imaginar Sistema completo Las ecuaciones de Maxwell en forma diferencial(caracterizando el campo en cada punto del espacio):

(5.7)

Obviamente, las ecuaciones de Maxwell no simétrico sobre campos eléctricos y magnéticos. Esto se debe a que la naturaleza
Hay cargas eléctricas, pero no hay cargas magnéticas.

Las ecuaciones de Maxwell son las ecuaciones más generales para la electricidad.
y campos magnéticos en medios en reposo. Desempeñan el mismo papel en la teoría del electromagnetismo que las leyes de Newton en la mecánica.

onda electromagnética llamado campo electromagnético alterno que se propaga en el espacio con una velocidad finita.

La existencia de ondas electromagnéticas se deriva de las ecuaciones de Maxwell, formuladas en 1865 sobre la base de una generalización de las leyes empíricas de los fenómenos eléctricos y magnéticos. Una onda electromagnética se forma debido a la interconexión de campos eléctricos y magnéticos alternos: un cambio en un campo conduce a un cambio en el otro, es decir, cuanto más rápido cambia la inducción del campo magnético en el tiempo, mayor es la fuerza del campo eléctrico y viceversa. Así, para la formación de ondas electromagnéticas intensas, es necesario excitar oscilaciones electromagnéticas de una frecuencia suficientemente alta. Velocidad de fase las ondas electromagnéticas se determina
eléctrico y propiedades magnéticas ambientes:

En el vacío () la velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas coincide con la velocidad de la luz; en la materia, así la velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas en la materia es siempre menor que en el vacío.