Elektromagnētiskās indukcijas parādība dzīvē. Elektromagnētiskās indukcijas fenomena praktiskais pielietojums

Eseja

disciplīnā "Fizika"

Tēma: “Parādības atklāšana elektromagnētiskā indukcija»

Pabeigts:

Skolēnu grupa 13103/1

Sanktpēterburga

2. Faradeja eksperimenti. 3

3. Praktiska lietošana elektromagnētiskās indukcijas parādības. 9

4. Izmantotās literatūras saraksts .. 12

Elektromagnētiskā indukcija - elektriskās strāvas parādība slēgtā ķēdē, kad mainās magnētiskā plūsma, kas iet caur to. Elektromagnētisko indukciju 1831. gada 29. augustā atklāja Maikls Faradejs. Viņš atklāja, ka elektromotora spēks, kas rodas slēgtā vadošā ķēdē, ir proporcionāls magnētiskās plūsmas izmaiņu ātrumam caur virsmu, ko ierobežo šī ķēde. Elektromotora spēka (EMF) lielums nav atkarīgs no tā, kas izraisa plūsmas izmaiņas - izmaiņas magnētiskais lauks vai ķēdes (vai tās daļas) kustība magnētiskajā laukā. Šī EML radīto elektrisko strāvu sauc par indukcijas strāvu.

1820. gadā Hanss Kristians Oersteds parādīja, ka elektriskā strāva, kas plūst caur ķēdi, izraisa magnētiskās adatas novirzi. Ja elektriskā strāva rada magnētismu, tad elektriskās strāvas parādīšanās ir jāsaista ar magnētismu. Šī ideja aizrāva angļu zinātnieku M. Faradeju. "Pārvērtiet magnētismu elektrībā," viņš rakstīja savā dienasgrāmatā 1822.

Maikls Faradejs

Maikls Faradejs (1791-1867) dzimis Londonā, vienā no tās nabadzīgākajām vietām. Viņa tēvs bija kalējs, bet māte bija īrnieka meita. Kad Faradejs sasniedza skolas vecums Viņš tika nosūtīts uz pamatskolu. Faradeja šeit apgūtais kurss bija ļoti šaurs un aprobežojās tikai ar lasīšanas, rakstīšanas un skaitīšanas sākšanu.

Dažus soļus no mājas, kurā dzīvoja Faradeju ģimene, atradās grāmatnīca, kas vienlaikus bija arī grāmatu iesiešanas iestāde. Šeit nonāca Faradejs, pabeidzis kursu pamatskola kad radās jautājums par profesijas izvēli viņam. Maikls tajā laikā bija tikai 13 gadus vecs. Jau jaunībā, kad Faradejs tikko bija sācis pašizglītību, viņš centās paļauties tikai uz faktiem un pārbaudīt citu ziņojumus ar savu pieredzi.

Šīs tiekšanās dominēja viņā visu mūžu kā galvenās viņa iezīmes zinātniskā darbība Fiziskā un ķīmiskie eksperimenti Faradejs ar to sāka nodarboties bērnībā, pirmoreiz iepazīstoties ar fiziku un ķīmiju. Reiz Maikls apmeklēja vienu no izcilā angļu fiziķa Hamfrija Deivija lekcijām. Faradejs detalizēti pierakstīja lekciju, sasēja to un nosūtīja Deivijam. Viņš bija tik pārsteigts, ka piedāvāja Faradejam strādāt kopā ar viņu par sekretāru. Drīz Deivijs devās ceļojumā uz Eiropu un paņēma līdzi Faradeju. Divus gadus viņi apmeklēja lielākās Eiropas universitātes.

1815. gadā atgriezies Londonā, Faradejs sāka strādāt par asistentu vienā no Londonas Karaliskās institūcijas laboratorijām. Tajā laikā tā bija viena no labākajām fizikas laboratorijām pasaulē. No 1816. līdz 1818. gadam Faradejs publicēja vairākas nelielas piezīmes un nelielus memuārus par ķīmiju. Faradeja pirmais darbs par fiziku ir datēts ar 1818. gadu.

Balstoties uz savu priekšgājēju pieredzi un apvienojot vairākas savas pieredzes, Maikls līdz 1821. gada septembrim bija izdrukājis "Elektromagnētisma panākumu vēsturi". Jau tajā laikā viņš izdomāja pilnīgi pareizu koncepciju par magnētiskās adatas novirzes fenomena būtību strāvas iedarbībā.

Sasniedzis šos panākumus, Faradejs pameta studijas elektrības jomā uz desmit gadiem, veltot sevi vairāku dažāda veida priekšmetu apguvei. 1823. gadā Faradejs veica vienu no svarīgākajiem atklājumiem fizikas jomā - viņš vispirms panāca gāzes sašķidrināšanu un vienlaikus izveidoja vienkāršu, bet derīgu metodi gāzu pārvēršanai šķidrumā. 1824. gadā Faradejs veica vairākus atklājumus fizikas jomā. Cita starpā viņš konstatēja faktu, ka gaisma ietekmē stikla krāsu, mainot to. IN nākamgad Faradejs atkal pāriet no fizikas uz ķīmiju, un viņa darba rezultāts šajā jomā ir benzīna un sērskābes naftalīna skābes atklāšana.

1831. gadā Faradejs publicēja traktātu Par īpašu optiskās ilūzijas veidu, kas kalpoja par pamatu skaistam un dīvainam optiskajam šāviņam, ko sauca par "hromotropu". Tajā pašā gadā tika publicēts vēl viens zinātnieka traktāts "Par vibrējošām plāksnēm". Daudzi no šiem darbiem paši par sevi varētu iemūžināt sava autora vārdu. Bet vissvarīgākais no zinātniskie darbi Faraday ir viņa pētījumi elektromagnētisma un elektriskās indukcijas jomā.

Faradeja eksperimenti

Apsēsts ar idejām par dabas spēku nedalāmu saistību un mijiedarbību, Faradejs mēģināja pierādīt, ka tāpat kā Ampērs spēj radīt magnētus ar elektrību, tā arī ar magnētu palīdzību iespējams radīt elektrību.

Tās loģika bija vienkārša: mehāniskais darbs viegli pārvēršas siltumā; otrādi, siltumu var pārvērst mehāniskā darbā (teiksim, par tvaika dzinējs). Kopumā starp dabas spēkiem visbiežāk sastopamas šādas attiecības: ja A dzemdē B, tad B dzemdē A.

Ja ar elektrības palīdzību Ampère ieguva magnētus, tad acīmredzot ir iespējams "iegūt elektrību no parastā magnētisma". Arago un Ampère izvirzīja sev tādu pašu uzdevumu Parīzē, Koladonā Ženēvā.

Stingri sakot, svarīgu fizikas nozari, kas izturas pret elektromagnētisma un induktīvās elektrības parādībām un kurai šobrīd ir tik milzīga nozīme tehnoloģijās, Faradejs radīja no nekā. Līdz brīdim, kad Faradejs beidzot nodeva sevi pētniecībai elektroenerģijas jomā, tika noskaidrots, ka ar parastos apstākļos elektrificēta ķermeņa klātbūtne ir pietiekama, lai tā ietekme ierosinātu elektrību katrā citā ķermenī. Tajā pašā laikā bija zināms, ka vads, pa kuru iet strāva un kas vienlaikus ir arī elektrificēts korpuss, nekādi neietekmē citus tuvumā novietotus vadus.

Kas izraisīja šo izņēmumu? Šis ir jautājums, kas Faradeju interesēja un kura risinājums noveda pie svarīgākajiem atklājumiem indukcijas elektrības jomā. Faradejs veic daudz eksperimentu, saglabā pedantiskas piezīmes. Viņš velta rindkopu katram nelielam pētījumam savos laboratorijas piezīmēs (pilnībā publicēts Londonā 1931. gadā ar nosaukumu "Faraday's Diary"). Vismaz tas, ka Dienasgrāmatas pēdējā rindkopa atzīmēta ar skaitli 16041, liecina par Faradeja efektivitāti.

Papildus intuitīvai pārliecībai par parādību universālo saistību, patiesībā nekas viņu neatbalstīja viņa meklējumos pēc "elektrības no magnētisma". Turklāt viņš, tāpat kā viņa skolotājs Devi, vairāk paļāvās uz saviem eksperimentiem, nevis uz mentālām konstrukcijām. Dāvijs viņam mācīja:

“Labam eksperimentam ir lielāka vērtība nekā tāda ģēnija kā Ņūtona pārdomātībai.

Tomēr tieši Faradejam bija lemts lieli atklājumi. Lielisks reālists, viņš spontāni saplēsa empīrisma važas, kuras viņam savulaik uzspieda Devi, un tajos brīžos viņam pavērās lielisks ieskats - viņš ieguva spēju uz visdziļākajiem vispārinājumiem.

Pirmais veiksmes stars parādījās tikai 1831. gada 29. augustā. Šajā dienā Faradejs laboratorijā testēja vienkāršu ierīci: apmēram sešu collu diametru dzelzs gredzenu, kas bija aptīts ap diviem izolētas stieples gabaliem. Kad Faradejs pieslēdza akumulatoru viena tinuma spailēm, viņa palīgs artilērijas seržants Andersens ieraudzīja galvanometra adatu, kas savienota ar otru tinumu.

Viņa raustījās un nomierinājās, lai gan līdzstrāva turpināja plūst pa pirmo tinumu. Faradejs rūpīgi pārskatīja visas šīs vienkāršās instalācijas detaļas - viss bija kārtībā.

Bet galvanometra adata spītīgi stāvēja uz nulles. Aiz īgnuma Faradejs nolēma atslēgt strāvu, un tad notika brīnums - ķēdes atvēršanas laikā galvanometra adata atkal šūpojās un atkal sastinga uz nulles!

Galvanometrs, paliekot nekustīgi visā strāvas pārejas laikā, sāk svārstīties, kad ķēde tiek aizvērta un atvērta. Izrādījās, ka brīdī, kad strāva tiek ievadīta pirmajā vadā, un arī tad, kad šī pārraide apstājas, strāva tiek ierosināta arī otrajā vadā, kuram pirmajā gadījumā ir pretējs virziens ar pirmo strāvu un ir tas pats ar to otrajā gadījumā un ilgst tikai vienu brīdi.

Tieši šeit Faradejam pilnīgā skaidrībā atklājās Ampera lieliskās idejas, saikne starp elektrisko strāvu un magnētismu. Galu galā pirmais tinums, kurā viņš pielika strāvu, nekavējoties kļuva par magnētu. Ja mēs to uzskatām par magnētu, tad 29. augusta eksperiments parādīja, ka magnētisms, šķiet, rada elektrību. Šajā gadījumā dīvainas palika tikai divas lietas: kāpēc elektrības pieplūdums, ieslēdzot elektromagnētu, ātri izgaisa? Un turklāt kāpēc pārspriegums parādās, kad magnēts ir izslēgts?

Nākamajā dienā, 30. augustā, jauna eksperimentu sērija. Efekts ir skaidri izteikts, bet tomēr pilnīgi nesaprotams.

Faradejam šķiet, ka atvērums ir kaut kur tuvumā.

"Es tagad atkal nodarbojos ar elektromagnētismu un domāju, ka esmu uzbrukusi veiksmīgai lietai, bet es to vēl nevaru apstiprināt. Ļoti iespējams, ka pēc visiem maniem pūliņiem es zivju vietā izvilkšu jūraszāles.

Nākamajā rītā, 24. septembrī, Faradejs bija daudz sagatavojies dažādas ierīces, kurā galvenie elementi vairs nebija tinumi ar elektrisko strāvu, bet gan pastāvīgie magnēti. Un bija arī efekts! Bulta novirzījās un nekavējoties metās vietā. Šī nelielā kustība notika visnegaidītākajās manipulācijās ar magnētu, dažreiz, šķiet, nejauši.

Nākamais eksperiments ir 1. oktobrī. Faradejs nolemj atgriezties pie paša sākuma – pie diviem tinumiem: viens ar strāvu, otrs savienots ar galvanometru. Atšķirība no pirmā eksperimenta ir tērauda gredzena - serdes neesamība. Šļakatas ir gandrīz nemanāmas. Rezultāts ir triviāls. Ir skaidrs, ka magnēts bez serdes ir daudz vājāks nekā magnēts ar serdi. Tāpēc efekts ir mazāk izteikts.

Faradejs ir vīlies. Divas nedēļas viņš netuvojas instrumentiem, domājot par neveiksmes cēloņiem.

"Es paņēmu cilindrisku magnētisko stieni (3/4" diametrā un 8 1/4" garš) un ievietoju vienu tā galu spirālē vara stieple(220 pēdas garš), kas savienots ar galvanometru. Tad ar ātru kustību iespiedu magnētu visā spirāles garumā, un galvanometra adata piedzīvoja triecienu. Tad es tikpat ātri izvilku magnētu no spirāles, un adata atkal šūpojās, bet pretējā virzienā. Šīs adatas svārstības atkārtojās katru reizi, kad magnēts tika iespiests vai ārā."

Noslēpums ir magnēta kustībā! Elektrības impulsu nosaka nevis magnēta novietojums, bet gan kustība!

Tas nozīmē, ka "elektriskais vilnis rodas tikai tad, kad magnēts pārvietojas, nevis tam raksturīgo īpašību dēļ miera stāvoklī".

Rīsi. 2. Faradeja eksperiments ar spoli

Šī ideja ir ārkārtīgi auglīga. Ja magnēta kustība attiecībā pret vadītāju rada elektrību, tad acīmredzot arī vadītāja kustībai attiecībā pret magnētu ir jārada elektrība! Turklāt šis "elektriskais vilnis" nepazudīs, kamēr turpināsies vadītāja un magnēta savstarpējā kustība. Tas nozīmē, ka ir iespējams izveidot patvaļīgi ilgu laiku strādājošu elektriskās strāvas ģeneratoru, ja vien turpinās stieples un magnēta savstarpējā kustība!

28. oktobrī Faradejs starp pakava magnēta poliem uzstādīja rotējošu vara disku, no kura ar bīdāmo kontaktu palīdzību (viens uz ass, otrs diska perifērijā) bija iespējams izņemt. elektriskais spriegums. Tas bija pirmais elektriskais ģenerators radīts ar cilvēka rokām. Tātad tika atrasts jauns avots elektriskā enerģija, papildus iepriekš zināmajām (berze un ķīmiskie procesi), ir indukcija un jaunais veidsšīs enerģijas ir indukcijas elektrība.

Faradejam līdzīgi eksperimenti, kā jau minēts, tika veikti Francijā un Šveicē. Koladons, Ženēvas akadēmijas profesors, bija izsmalcināts eksperimentētājs (piemēram, Ženēvas ezerā veica precīzus skaņas ātruma mērījumus ūdenī). Varbūt, baidoties no instrumentu kratīšanas, viņš, tāpat kā Faradejs, noņēma galvanometru pēc iespējas tālāk no pārējās instalācijas. Daudzi apgalvoja, ka Koladons novērojis tādas pašas īslaicīgas bultas kustības kā Faradejs, taču, sagaidot stabilāku, ilgstošāku efektu, nepiešķīra šiem “nejaušajiem” sprādzieniem pienācīgu nozīmi ...

Patiešām, lielākā daļa tā laika zinātnieku uzskatīja, ka "elektrības radīšanas no magnētisma" reversajam efektam acīmredzot vajadzētu būt tādam pašam stacionāram kā "tiešajam" efektam - "veidojot magnētismu" elektriskās strāvas dēļ. Šī efekta negaidītā "pārejamība" samulsināja daudzus, tostarp Koladonu, un viņi maksāja par saviem aizspriedumiem.

Turpinot savus eksperimentus, Faradejs atklāja, ka vienkārša slēgtā līknē savīta stieples tuvošanās citai, pa kuru plūst galvaniskā strāva, ir pietiekama, lai ierosinātu induktīvo strāvu virzienā, kas ir pretējs galvaniskajai strāvai neitrālā vadā. noņemot neitrālu vadu, tajā atkal ierosina induktīvo strāvu. strāva jau ir tādā pašā virzienā kā galvaniskā strāva, kas plūst pa fiksētu vadu, un, visbeidzot, šīs induktīvās strāvas tiek ierosinātas tikai pietuvošanās un noņemšanas laikā. vadu pie galvaniskās strāvas vadītāja, un bez šīs kustības strāvas netiek ierosinātas neatkarīgi no tā, cik tuvu vadi atrodas viens otram.

Tādējādi tika atklāta jauna parādība, līdzīga iepriekš aprakstītajai indukcijas parādībai galvaniskās strāvas slēgšanas un izbeigšanās laikā. Šie atklājumi savukārt radīja jaunus. Ja ir iespējams radīt induktīvo strāvu, aizverot un apturot galvanisko strāvu, vai tas pats rezultāts nebūtu iegūts ar dzelzs magnetizāciju un demagnetizāciju?

Orsteda un Ampēra darbs jau bija izveidojis attiecības starp magnētismu un elektrību. Bija zināms, ka dzelzs kļuva par magnētu, kad ap to tika uztīts izolēts vads un caur to iet galvaniskā strāva, un šī dzelzs magnētiskās īpašības izbeidzas, tiklīdz strāva pārtrūka.

Pamatojoties uz to, Faradejs nāca klajā ar šāda veida eksperimentu: divi izolēti vadi tika apvilkti ap dzelzs gredzenu; turklāt viens vads bija aptīts ap vienu gredzena pusi, bet otrs ap otru. Caur vienu vadu tika izvadīta strāva no galvaniskā akumulatora, bet otra gali tika savienoti ar galvanometru. Un tā, kad strāva slēdzās vai apstājās, un līdz ar to dzelzs gredzens tika magnetizēts vai demagnetizēts, galvanometra adata strauji svārstījās un pēc tam ātri apstājās, tas ir, visas tās pašas momentānās induktīvās strāvas tika ierosinātas neitrālajā vadā - tas laiks: jau magnētisma ietekmē.

Rīsi. 3. Faradeja eksperiments ar dzelzs gredzenu

Tādējādi šeit pirmo reizi magnētisms tika pārvērsts elektrībā. Saņēmis šos rezultātus, Faradejs nolēma dažādot savus eksperimentus. Dzelzs gredzena vietā viņš sāka izmantot dzelzs lenti. Tā vietā, lai ar galvanisko strāvu uzmundrinātu dzelzi, viņš magnetizēja dzelzi, pieskaroties tam pastāvīgajam tērauda magnētam. Rezultāts bija tāds pats: ap dzelzi aptītajā stieplē vienmēr tika ierosināta strāva gludekļa magnetizācijas un demagnetizācijas brīdī. Tad Faradejs stieples spirālē ieviesa tērauda magnētu - pēdējā tuvošanās un noņemšana izraisīja indukcijas strāvas vadā. Vārdu sakot, magnētisms induktīvo strāvu ierosināšanas nozīmē darbojās tieši tāpat kā galvaniskā strāva.

Tolaik fiziķus intensīvi nodarbināja viena noslēpumaina parādība, ko 1824. gadā atklāja Arago un neatrada izskaidrojumu, neskatoties uz to, ka to intensīvi meklēja tādi izcili tā laika zinātnieki kā pats Arago, Ampērs, Puasons, Babajs un Heršels. skaidrojums. Lieta bija sekojoša. Magnētiskā adata, kas brīvi karājas, ātri atpūšas, ja zem tās tiek nogādāts nemagnētiska metāla aplis; ja aplis pēc tam tiek nodots rotācijas kustībai, magnētiskā adata sāk tam sekot.

Mierīgā stāvoklī starp apli un bultu nebija iespējams atklāt kaut mazāko pievilcību vai atgrūšanos, kamēr tas pats aplis, kas bija kustībā, aiz sevis vilka ne tikai vieglu bultu, bet arī smagu magnētu. Šī patiesi brīnumainā parādība tā laika zinātniekiem šķita noslēpumaina mīkla, kaut kas pāri dabiskajam. Faradejs, pamatojoties uz saviem iepriekšminētajiem datiem, izdarīja pieņēmumu, ka nemagnētiska metāla aplis magnēta ietekmē rotācijas laikā tiek cirkulēts ar induktīvām strāvām, kas ietekmē magnētisko adatu un velk to aiz magnēta. Patiešām, ievietojot apļa malu starp liela pakavveida magnēta poliem un savienojot apļa centru un malu ar galvanometru ar vadu, Faradejs apļa griešanās laikā saņēma pastāvīgu elektrisko strāvu.

Pēc tam Faradejs pievērsās citai parādībai, kas toreiz izraisīja vispārēju zinātkāri. Kā zināms, ja dzelzs vīles tiek uzkaisītas uz magnēta, tās tiek sagrupētas pa noteiktām līnijām, ko sauc par magnētiskajām līknēm. Faradejs, pievēršot uzmanību šai parādībai, 1831. gadā deva pamatus magnētiskajām līknēm, nosaukumu "magnētiskā spēka līnijas", kas pēc tam tika plaši izmantotas. Šo "līniju" izpēte noveda Faradeju pie jauna atklājuma, izrādījās, ka induktīvo strāvu ierosināšanai avota pieeja un noņemšana no magnētiskais pols nav obligāti. Lai ierosinātu strāvas, pietiek zināmā veidā šķērsot magnētiskā spēka līnijas.

Rīsi. 4. "Magnētiskā spēka līnijas"

Tālākie Faradeja darbi minētajā virzienā ieguva no mūsdienu viedokļa kaut kā pavisam brīnumaina raksturu. 1832. gada sākumā viņš demonstrēja aparātu, kurā induktīvās strāvas tika ierosinātas bez magnēta vai galvaniskās strāvas palīdzības. Ierīce sastāvēja no dzelzs sloksnes, kas ievietota stieples spolē. Šī ierīce parastos apstākļos nedeva ne mazākās pazīmes par strāvu parādīšanos tajā; bet tiklīdz viņam tika dots magnētiskās adatas virzienam atbilstošs virziens, vadā tika ierosināta strāva.

Tad Faradejs iedeva magnētiskās adatas pozīciju vienai spolei un pēc tam ievietoja tajā dzelzs sloksni: strāva atkal bija satraukta. Iemesls, kas izraisīja strāvu šajos gadījumos, bija zemes magnētisms, kas izraisīja induktīvās strāvas kā parasts magnēts vai galvaniskā strāva. Lai to skaidrāk parādītu un pierādītu, Faradejs veica vēl vienu eksperimentu, kas pilnībā apstiprināja viņa idejas.

Viņš sprieda, ka, ja nemagnētiska metāla, piemēram, vara aplis, kas rotē stāvoklī, kurā tas krusto blakus esošā magnēta magnētiskā spēka līnijas, dod induktīvo strāvu, tad tas pats aplis, kas rotē, ja nav magnēts, bet pozīcijā, kurā aplis šķērsos zemes magnētisma līnijas, jādod arī induktīvā strāva. Patiešām, vara aplis pagriezās iekšā horizontālā plakne, deva induktīvo strāvu, kas radīja ievērojamu galvanometra adatas novirzi. Faradejs pabeidza virkni pētījumu elektriskās indukcijas jomā, atklājot 1835. gadā "strāvas induktīvo ietekmi uz sevi".

Viņš noskaidroja, ka galvanisko strāvu aizverot vai atverot, pašā vadā tiek ierosinātas momentānās induktīvās strāvas, kas kalpo kā šīs strāvas vadītājs.

Krievu fiziķis Emīls Khristoforovičs Lencs (1804-1861) sniedza noteikumu inducētās strāvas virziena noteikšanai. "Indukcijas strāva vienmēr tiek virzīta tā, ka tās radītais magnētiskais lauks kavē vai palēnina kustību, kas izraisa indukciju," atzīmē A.A. Korobko-Stefanovs savā rakstā par elektromagnētisko indukciju. - Piemēram, spolei tuvojoties magnētam, rodas indukcijas strāva ir tāds virziens, ka tā radītais magnētiskais lauks būs pretējs magnēta magnētiskajam laukam. Rezultātā starp spoli un magnētu rodas atgrūšanas spēki. Lenca noteikums izriet no enerģijas nezūdamības un pārveidošanas likuma. Ja indukcijas strāvas paātrinātu kustību, kas tās izraisīja, tad darbs tiktu radīts no nekā. Pati spole pēc neliela grūdiena steigtos pretī magnētam, un tajā pašā laikā indukcijas strāva atbrīvotu tajā siltumu. Patiesībā indukcijas strāva rodas magnēta un spoles tuvināšanas rezultātā.

Rīsi. 5. Lenca likums

Kāpēc ir inducēta strāva? Dziļu elektromagnētiskās indukcijas fenomena skaidrojumu sniedza angļu fiziķis Džeimss Klerks Maksvels, pabeigtās matemātiskā teorija elektromagnētiskais lauks. Lai labāk izprastu lietas būtību, apsveriet ļoti vienkāršu eksperimentu. Ļaujiet, lai spole sastāv no viena stieples pagrieziena un to caurdur mainīgs magnētiskais lauks, kas ir perpendikulārs pagrieziena plaknei. Spolē, protams, ir indukcijas strāva. Maksvels interpretēja šo eksperimentu ārkārtīgi drosmīgi un negaidīti.

Kad magnētiskais lauks mainās telpā, pēc Maksvela domām, rodas process, kuram stieples spoles klātbūtnei nav nozīmes. Galvenais šeit ir slēgtā rašanās apļa līnijas elektriskais lauks kas aptver mainīgu magnētisko lauku. Jaunā elektriskā lauka ietekmē elektroni sāk kustēties, un spolē rodas elektriskā strāva. Spole ir tikai ierīce, kas ļauj noteikt elektrisko lauku. Elektromagnētiskās indukcijas fenomena būtība ir tāda, ka mainīgs magnētiskais lauks vienmēr rada elektrisko lauku ar slēgtām spēka līnijām apkārtējā telpā. Šādu lauku sauc par virpuļlauku.

Izstrādāti pētījumi indukcijas jomā zemes magnētisms, deva Faradejam iespēju jau 1832. gadā izteikt ideju par telegrāfu, kas pēc tam bija šī izgudrojuma pamatā. Kopumā elektromagnētiskās indukcijas atklāšanu ne velti piedēvē 19. gadsimta izcilākajiem atklājumiem – uz šīs parādības balstās miljoniem elektromotoru un elektriskās strāvas ģeneratoru darbs visā pasaulē...

Elektromagnētiskās indukcijas fenomena praktiskais pielietojums

1. Apraide

Mainīgs magnētiskais lauks, ko ierosina mainīga strāva, apkārtējā telpā rada elektrisko lauku, kas savukārt ierosina magnētisko lauku utt. Savstarpēji ģenerējot viens otru, šie lauki veido vienu mainīgu elektromagnētisko lauku – elektromagnētisko vilni. Radies vietā, kur ir vads ar strāvu, elektromagnētiskais lauks izplatās telpā ar gaismas ātrumu -300 000 km/s.

Rīsi. 6. Radio

2. Magnetoterapija

Frekvenču spektrā dažādas vietas aizņem radioviļņi, gaisma, rentgenstari un citi elektromagnētiskā radiācija. Tos parasti raksturo nepārtraukti savstarpēji savienoti elektriskie un magnētiskie lauki.

3. Sinhrofazotroni

Šobrīd ar magnētisko lauku saprot īpašu matērijas formu, kas sastāv no lādētām daļiņām. Mūsdienu fizikā lādētu daļiņu starus izmanto, lai dziļi iekļūtu atomos, lai tos izpētītu. Spēku, ar kādu magnētiskais lauks iedarbojas uz kustīgu lādētu daļiņu, sauc par Lorenca spēku.

4. Plūsmas mērītāji

Metodes pamatā ir Faradeja likuma pielietojums vadītājam magnētiskajā laukā: elektriski vadoša šķidruma plūsmā, kas pārvietojas magnētiskajā laukā, plūsmas ātrumam proporcionāli tiek inducēts EML, ko elektroniskā daļa pārvērš elektriskais analogais / digitālais signāls.

5. Līdzstrāvas ģenerators

Ģeneratora režīmā mašīnas armatūra griežas ārēja momenta ietekmē. Starp statora poliem ir konstante magnētiskā plūsma pīrsings enkurs. Armatūras tinumu vadītāji pārvietojas magnētiskajā laukā, un tāpēc tajos tiek inducēts EML, kura virzienu var noteikt ar noteikumu " labā roka". Šajā gadījumā uz vienas otas rodas pozitīvs potenciāls attiecībā pret otro. Ja ģeneratora spailēm ir pievienota slodze, tad tajā plūdīs strāva.

6. Transformatori

Transformatori tiek plaši izmantoti elektriskās enerģijas pārvadē lielos attālumos, tās sadalē starp uztvērējiem, kā arī dažādās taisnošanas, pastiprināšanas, signalizācijas un citās ierīcēs.

Enerģijas pārveidošanu transformatorā veic mainīgs magnētiskais lauks. Transformators ir viens no otra izolētu plānu tērauda plākšņu serdenis, uz kura tiek novietoti divi un dažreiz vairāk izolētas stieples tinumi (spoles). Tinums, kuram ir pievienots elektriskās enerģijas avots maiņstrāva, sauc par primāro tinumu, pārējos tinumus sauc par sekundārajiem.

Ja transformatora sekundārajā tinumā ir uztīts trīs reizes vairāk apgriezienu nekā primārajā, tad primārā tinuma kodolā radītais magnētiskais lauks, šķērsojot sekundārā tinuma vijumus, radīs tajā trīs reizes lielāku spriegumu.

Izmantojot transformatoru ar apgrieztu pagriezienu attiecību, jūs varat tikpat viegli un vienkārši iegūt samazinātu spriegumu.

Izmantotās literatūras saraksts

1. [Elektroniskais resurss]. Elektromagnētiskā indukcija.

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

2. [Elektroniskais resurss] Faradejs. Elektromagnētiskās indukcijas atklāšana.

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

3. [Elektroniskais resurss]. Elektromagnētiskās indukcijas atklāšana.

4. [Elektroniskais resurss]. Elektromagnētiskās indukcijas fenomena praktiskais pielietojums.

Elektromagnētiskās indukcijas fenomenu galvenokārt izmanto, lai pārveidotu mehānisko enerģiju elektriskās strāvas enerģijā. Šim nolūkam piesakieties ģeneratori(indukcijas ģeneratori).

Vienkāršākais maiņstrāvas ģenerators ir stieples rāmis, kas vienmērīgi rotē ar leņķisko ātrumu w=konst vienmērīgā magnētiskajā laukā ar indukciju IN(4.5. att.). Magnētiskās indukcijas plūsma, kas iekļūst rāmī ar laukumu S, ir vienāds ar

Ar vienmērīgu rāmja rotāciju, griešanās leņķi , kur ir rotācijas biežums. Tad

Saskaņā ar elektromagnētiskās indukcijas likumu EML, kas tiek inducēts tā rotācijas ietvaros,

Ja slodze (elektroenerģijas patērētājs) ir savienota ar rāmja skavām, izmantojot otas kontakta aparātu, tad caur to plūdīs maiņstrāva.
Elektroenerģijas rūpnieciskai ražošanai elektrostacijās izmanto sinhronie ģeneratori(turboģeneratori, ja stacija ir termiskā vai kodolenerģija, un hidroģeneratori, ja stacija ir hidrauliskā). Sinhronā ģeneratora stacionāro daļu sauc stators, un rotējošs - rotors(4.6. att.). Ģeneratora rotoram ir līdzstrāvas tinums (ierosmes tinums), un tas ir spēcīgs elektromagnēts. Tiešā strāva, kas caur otas kontakta aparātu tiek piegādāta ierosmes tinumam, magnetizē rotoru un šajā gadījumā elektromagnētu ar ziemeļu un dienvidu polus.
Uz ģeneratora statora ir trīs maiņstrāvas tinumi, kas ir nobīdīti viens pret otru par 120 0 un ir savstarpēji savienoti saskaņā ar noteiktu komutācijas ķēdi.
Kad rosināts rotors griežas ar tvaika vai hidrauliskās turbīnas palīdzību, tā stabi iziet zem statora tinumiem, un tajos tiek inducēts elektromotora spēks, kas mainās saskaņā ar harmonikas likumu. Tālāk ģenerators saskaņā ar noteiktu shēmu elektrotīkls savienots ar enerģijas patēriņa mezgliem.
Ja jūs nododat elektroenerģiju no staciju ģeneratoriem patērētājiem pa elektropārvades līnijām tieši (pie ģeneratora sprieguma, kas ir salīdzinoši mazs), tad tīklā radīsies lieli enerģijas un sprieguma zudumi (pievērsiet uzmanību attiecībām , ). Tāpēc ekonomiskai elektroenerģijas transportēšanai ir jāsamazina strāvas stiprums. Bet, tā kā pārraidītā jauda paliek nemainīga, spriegumam jāpalielinās par tādu pašu koeficientu, samazinoties strāvai.
Savukārt pie elektroenerģijas patērētāja spriegums jāsamazina līdz vajadzīgajam līmenim. Tiek izsauktas elektriskās ierīces, kurās spriegums tiek palielināts vai samazināts par noteiktu skaitu transformatori. Arī transformatora darbs ir balstīts uz elektromagnētiskās indukcijas likumu.

Apsveriet divu tinumu transformatora darbības principu (4.7. att.). Kad maiņstrāva iet caur primāro tinumu, ap to rodas mainīgs magnētiskais lauks ar indukciju IN, kuras plūsma arī ir mainīga . Transformatora kodols kalpo magnētiskās plūsmas virzīšanai (gaisa magnētiskā pretestība ir augsta). Mainīga magnētiskā plūsma, kas aizveras gar serdi, inducē mainīgu EML katrā no tinumiem:

Tad Jaudīgiem transformatoriem spoles pretestības ir ļoti mazas, tāpēc spriegumi primāro un sekundāro tinumu spailēs ir aptuveni vienādi ar EMF:

Kur k- transformācijas koeficients. Plkst k1 () transformators ir nolaišana.
Savienojot ar slodzes transformatora sekundāro tinumu, tajā plūdīs strāva. Pieaugot elektroenerģijas patēriņam, saskaņā ar enerģijas nezūdamības likumu jāpalielinās stacijas ģeneratoru atdotajai enerģijai, t.i.

kur

Tas nozīmē, ka, palielinot spriegumu iekšā k reizes, ir iespējams samazināt strāvas stiprumu ķēdē par tādu pašu summu (šajā gadījumā džoula zudumi samazinās par k2 vienreiz).

Īsi secinājumi

1. EML parādību slēgtā vadošā ķēdē, kas atrodas mainīgā magnētiskajā laukā, sauc par elektromagnētisko indukciju.

2. Saskaņā ar elektromagnētiskās indukcijas likumu indukcijas EMF slēgtā vadošā ķēdē ir skaitliski vienāds un pēc zīmes ir pretējs magnētiskās plūsmas izmaiņu ātrumam caur virsmu, ko ierobežo šī ķēde:

Mīnusa zīme atspoguļo Lenca likumu: mainoties magnētiskajai plūsmai caur slēgtu vadošu ķēdi, tajā rodas indukcijas strāva tādā virzienā, ka tās magnētiskais lauks neitralizē ārējās magnētiskās plūsmas izmaiņas.

Elektromagnētiskās indukcijas fenomena būtība slēpjas ne tik daudz indukcijas strāvas, cik virpuļa elektriskā lauka izskatā. Virpuļveida elektrisko lauku ģenerē mainīgs magnētiskais lauks. Atšķirībā no elektrostatiskais lauks virpuļa elektriskais lauks nav potenciāls, tā spēka līnijas vienmēr ir slēgtas, piemēram spēka līnijas magnētiskais lauks.

Elektriskās strāvas rašanās izpēte zinātniekus vienmēr ir satraukusi. Pēc iekšā XIX sākums gadsimtā dāņu zinātnieks Oersteds uzzināja, ka ap elektrisko strāvu rodas magnētiskais lauks, zinātnieki domāja, vai magnētiskais lauks var radīt elektrisko strāvu un otrādi.Pirmais zinātnieks, kuram tas izdevās, bija zinātnieks Maikls Faradejs.

Faradeja eksperimenti

Pēc daudziem eksperimentiem Faradejs spēja sasniegt dažus rezultātus.

1. Elektriskās strāvas rašanās

Lai veiktu eksperimentu, viņš paņēma spoli ar liela summa pagriežas un pievienoja to miliammeteram (ierīcei, kas mēra strāvu). Virzienā uz augšu un uz leju zinātnieks pārvietoja magnētu ap spoli.

Eksperimenta laikā spolē faktiski parādījās elektriskā strāva, jo ap to mainījās magnētiskais lauks.

Saskaņā ar Faradeja novērojumiem miliammetra adata novirzījās un norādīja, ka magnēta kustība rada elektrisko strāvu. Kad magnēts apstājās, bultiņa rādīja nulles atzīmes, t.i. ķēdē necirkulē strāva.

rīsi. 1 Strāvas stipruma izmaiņas spolē, ko izraisa rejctāta kustība

Šo parādību, kurā strāva notiek vadītāja mainīga magnētiskā lauka ietekmē, sauca par elektromagnētiskās indukcijas fenomenu.

2. Indukcijas strāvas virziena maiņa

Savos turpmākajos pētījumos Maikls Faradejs mēģināja noskaidrot, kas ietekmē iegūtās induktīvās elektriskās strāvas virzienu. Veicot eksperimentus, viņš pamanīja, ka, mainot spoļu skaitu uz spoles vai magnētu polaritāti, mainās elektriskās strāvas virziens, kas rodas slēgtā tīklā.

3. Elektromagnētiskās indukcijas parādība

Lai veiktu eksperimentu, zinātnieks paņēma divas spoles, kuras novietoja tuvu viena otrai. Pirmā spole ar lielu vadu apgriezienu skaitu tika savienota ar strāvas avotu un atslēgu, kas aizvēra un atvēra ķēdi. Viņš savienoja otru to pašu spoli ar miliammetru, nepievienojot to strāvas avotam.

Veicot eksperimentu, Faradejs pamanīja, ka, aizverot elektrisko ķēdi, rodas inducēta strāva, ko var redzēt no miliammetera bultiņas kustības. Atverot ķēdi, arī miliammetrs rādīja, ka ķēdē ir elektriskā strāva, taču rādījumi bija tieši pretēji. Kad ķēde bija slēgta un strāva cirkulēja vienmērīgi, pēc miliammetra datiem elektriskā ķēdē nebija strāvas.

https://youtu.be/iVYEeX5mTJ8

Secinājums no eksperimentiem

Faradeja atklājuma rezultātā tika pierādīta šāda hipotēze: elektriskā strāva parādās tikai tad, kad mainās magnētiskais lauks. Ir arī pierādīts, ka, mainot apgriezienu skaitu spolē, mainās strāvas vērtība (palielinot spoles, palielinās strāva). Turklāt inducētā elektriskā strāva slēgtā ķēdē var parādīties tikai mainīga magnētiskā lauka klātbūtnē.

Kas nosaka induktīvo elektrisko strāvu?

Pamatojoties uz visu iepriekš minēto, var atzīmēt, ka pat ja ir magnētiskais lauks, tas neizraisīs elektriskās strāvas parādīšanos, ja šis lauks nav mainīgs.

Tātad, no kā ir atkarīgs indukcijas lauka lielums?

1. Spoles apgriezienu skaits;
2. Magnētiskā lauka izmaiņu ātrums;
3. Magnēta ātrums.

Magnētiskā plūsma ir lielums, kas raksturo magnētisko lauku. Mainoties, magnētiskā plūsma izraisa izmaiņas inducētajā elektriskajā strāvā.

2. att. Strāvas stipruma izmaiņas, pārvietojot a) spoli, kurā atrodas solenoīds; b) pastāvīgo magnētu, ievietojot to spolē

Faradeja likums

Pamatojoties uz eksperimentiem, Maikls Faradejs formulēja elektromagnētiskās indukcijas likumu. Likums ir tāds, ka, mainoties magnētiskajam laukam, tas izraisa elektriskās strāvas parādīšanos, savukārt strāva norāda uz elektromagnētiskās indukcijas (EMF) elektromotora spēku.

Ātrums magnētiskā strāva mainīšana nozīmē strāvas un EML ātruma izmaiņas.

Faradeja likums: elektromagnētiskās indukcijas EML ir skaitliski vienāds un pēc zīmes ir pretējs magnētiskās plūsmas izmaiņu ātrumam, kas iet caur virsmu, ko ierobežo kontūra

Cilpas induktivitāte. Pašindukcija.

Magnētiskais lauks rodas, kad strāva plūst slēgtā ķēdē. Šajā gadījumā strāvas stiprums ietekmē magnētisko plūsmu un izraisa EML.

Pašindukcija ir parādība, kurā indukcijas emf rodas, mainoties strāvas stiprumam ķēdē.

Pašindukcija mainās atkarībā no ķēdes formas, tās izmēriem un vides, kurā tā atrodas.

Palielinoties elektriskās strāvas stiprumam, ķēdes pašinduktīvā strāva to var palēnināt. Kad tas samazinās, pašindukcijas strāva, gluži pretēji, neļauj tai tik ātri samazināties. Tādējādi ķēde sāk darboties ar savu elektrisko inerci, palēninot visas strāvas izmaiņas.

Inducētās emf pielietojums

Elektromagnētiskās indukcijas fenomenam ir praktisks pielietojums ģeneratoros, transformatoros un motoros, kas darbojas ar elektrību.

Šajā gadījumā strāva šiem nolūkiem tiek iegūta šādos veidos:

1. Strāvas maiņa spolē;
2. Magnētiskā lauka kustība caur pastāvīgajiem magnētiem un elektromagnētiem;
3. Spolu vai spoļu rotācija pastāvīgā magnētiskajā laukā.

Maikla Faradeja elektromagnētiskās indukcijas atklājums sniedza lielu ieguldījumu zinātnē un mūsu ikdienas dzīvē. Šis atklājums kalpoja par stimulu turpmākiem atklājumiem elektromagnētisko lauku izpētes jomā un tiek plaši izmantots mūsdienu dzīve cilvēku.

Mēs jau zinām, ka elektriskā strāva, virzoties pa vadītāju, rada ap to magnētisko lauku. Pamatojoties uz šo parādību, cilvēks ir izgudrojis un plaši izmanto visdažādākos elektromagnētus. Taču rodas jautājums: ja elektriskie lādiņi, kustība, izraisa magnētiskā lauka parādīšanos, bet vai tas nedarbojas un otrādi?

Tas ir, vai magnētiskais lauks var izraisīt elektriskās strāvas plūsmu vadītājā? 1831. gadā Maikls Faradejs atklāja, ka slēgtā vadošā elektriskā ķēdē, mainoties magnētiskajam laukam, rodas elektriskā strāva. Šādu strāvu sauca par indukcijas strāvu, un strāvas parādīšanās slēgtā vadošā ķēdē ar izmaiņām magnētiskajā laukā, kas iekļūst šajā ķēdē, tiek saukta par elektromagnētisko indukciju.

Elektromagnētiskās indukcijas fenomens

Pats nosaukums "elektromagnētiskais" sastāv no divām daļām: "elektro" un "magnētiskais". Elektriskās un magnētiskās parādības ir nesaraujami saistītas viena ar otru. Un, ja elektriskie lādiņi, kustoties, maina magnētisko lauku ap tiem, tad magnētiskais lauks, mainoties, gribot negribot liek elektriskajiem lādiņiem kustēties, veidojot elektrisko strāvu.

Šajā gadījumā elektriskās strāvas rašanos izraisa mainīgais magnētiskais lauks. Pastāvīgs magnētiskais lauks neizraisīs elektrisko lādiņu kustību, un attiecīgi neveidosies indukcijas strāva. Sīkāka elektromagnētiskās indukcijas fenomena apskate, formulu atvasināšana un elektromagnētiskās indukcijas likums attiecas uz devītās klases kursu.

Elektromagnētiskās indukcijas pielietošana

Šajā rakstā mēs runāsim par elektromagnētiskās indukcijas izmantošanu. Daudzu motoru un strāvas ģeneratoru darbība balstās uz elektromagnētiskās indukcijas likumu izmantošanu. Viņu darba princips ir diezgan vienkārši saprotams.

Magnētiskā lauka izmaiņas var izraisīt, piemēram, magnēta pārvietošana. Tāpēc, ja magnēts tiek pārvietots slēgtā ķēdē ar kādas trešās puses ietekmi, tad šajā ķēdē parādīsies strāva. Tātad jūs varat izveidot strāvas ģeneratoru.

Ja, gluži pretēji, caur ķēdi tiek izvadīta strāva no trešās puses avota, tad ķēdes iekšpusē esošais magnēts sāks kustēties elektriskās strāvas radītā magnētiskā lauka ietekmē. Tādā veidā var salikt elektromotoru.

Iepriekš aprakstītie strāvas ģeneratori spēkstacijās pārvērš mehānisko enerģiju elektroenerģijā. Mehāniskā enerģija ir ogļu, dīzeļdegvielas, vēja, ūdens un tā tālāk enerģija. Pa vadiem elektroenerģiju piegādā patērētājiem un tur elektromotoros to pārvērš atpakaļ mehāniskajā enerģijā.

Putekļsūcēju, matu žāvētāju, maisītāju, dzesētāju, elektrisko gaļasmašīnu un daudzu citu ikdienā lietojamo ierīču elektromotori ir balstīti uz elektromagnētiskās indukcijas un magnētisko spēku izmantošanu. Par šo pašu parādību izmantošanu rūpniecībā nav jārunā, skaidrs, ka tā ir visuresoša.

Elektromagnētiskās indukcijas fenomenu galvenokārt izmanto, lai pārveidotu mehānisko enerģiju elektriskās strāvas enerģijā. Šim nolūkam piesakieties ģeneratori(indukcijas ģeneratori). Vienkāršākais maiņstrāvas ģenerators ir stieples rāmis, kas vienmērīgi rotē ar leņķisko ātrumu w= const vienmērīgā magnētiskajā laukā ar indukciju IN(4.5. att.). Magnētiskās indukcijas plūsma, kas iekļūst rāmī ar laukumu S, ir vienāds ar

Ar vienmērīgu rāmja rotāciju, griešanās leņķi , kur ir rotācijas frekvence. Tad

Saskaņā ar elektromagnētiskās indukcijas likumu, EML, kas inducēts kadrā plkst
viņas rotācija,

Ja slodze (elektroenerģijas patērētājs) ir savienota ar rāmja skavām, izmantojot otas kontakta aparātu, tad caur to plūdīs maiņstrāva.

Elektroenerģijas rūpnieciskai ražošanai elektrostacijās izmanto sinhronie ģeneratori(turboģeneratori, ja stacija ir termiskā vai kodolenerģija, un hidroģeneratori, ja stacija ir hidrauliskā). Sinhronā ģeneratora stacionāro daļu sauc stators, un rotējošs - rotors(4.6. att.). Ģeneratora rotoram ir līdzstrāvas tinums (ierosmes tinums), un tas ir spēcīgs elektromagnēts. Līdzstrāva tiek pielietota
ierosmes tinums caur otas kontakta aparātu, magnetizē rotoru, un šajā gadījumā veidojas elektromagnēts ar ziemeļu un dienvidu polu.

Uz ģeneratora statora ir trīs maiņstrāvas tinumi, kas ir nobīdīti viens pret otru par 120 0 un ir savstarpēji savienoti saskaņā ar noteiktu komutācijas ķēdi.

Kad rosināts rotors griežas ar tvaika vai hidrauliskās turbīnas palīdzību, tā stabi iziet zem statora tinumiem, un tajos tiek inducēts elektromotora spēks, kas mainās saskaņā ar harmonikas likumu. Tālāk ģenerators saskaņā ar noteiktu elektrotīkla shēmu ir savienots ar elektroenerģijas patēriņa mezgliem.

Ja jūs nododat elektroenerģiju no staciju ģeneratoriem patērētājiem pa elektropārvades līnijām tieši (pie ģeneratora sprieguma, kas ir salīdzinoši mazs), tad tīklā radīsies lieli enerģijas un sprieguma zudumi (pievērsiet uzmanību attiecībām , ). Tāpēc ekonomiskai elektroenerģijas transportēšanai ir jāsamazina strāvas stiprums. Tomēr, tā kā pārraidītā jauda paliek nemainīga, spriegumam ir jābūt
palielinās par tādu pašu koeficientu, kā strāva samazinās.

Savukārt pie elektroenerģijas patērētāja spriegums jāsamazina līdz vajadzīgajam līmenim. Tiek izsauktas elektriskās ierīces, kurās spriegums tiek palielināts vai samazināts par noteiktu skaitu transformatori. Arī transformatora darbs ir balstīts uz elektromagnētiskās indukcijas likumu.

Apsveriet divu tinumu transformatora darbības principu (4.7. att.). Kad maiņstrāva iet caur primāro tinumu, ap to rodas mainīgs magnētiskais lauks ar indukciju IN, kuras plūsma arī ir mainīga

Transformatora kodols kalpo magnētiskās plūsmas virzīšanai (gaisa magnētiskā pretestība ir augsta). Mainīga magnētiskā plūsma, kas aizveras gar serdi, inducē mainīgu EML katrā no tinumiem:

Jaudīgos transformatoros spoles pretestības ir ļoti mazas,
tāpēc spriegumi primāro un sekundāro tinumu spailēs ir aptuveni vienādi ar EMF:

Kur k- transformācijas koeficients. Plkst k<1 () transformators ir paaugstinot, plkst k>1 () transformators ir nolaišana.

Savienojot ar slodzes transformatora sekundāro tinumu, tajā plūdīs strāva. Ar elektroenerģijas patēriņa pieaugumu saskaņā ar likumu
enerģijas saglabāšanai, stacijas ģeneratoru izdalītajai enerģijai vajadzētu palielināties, tas ir

Tas nozīmē, ka, palielinot spriegumu ar transformatoru
V k reizes, ir iespējams samazināt strāvas stiprumu ķēdē par tādu pašu summu (šajā gadījumā džoula zudumi samazinās par k 2 reizes).

17. tēma. Maksvela elektromagnētiskā lauka teorijas pamati. Elektromagnētiskie viļņi

60. gados. 19. gadsimts Angļu zinātnieks J. Maksvels (1831-1879) apkopoja eksperimentāli noteiktos elektrisko un magnētisko lauku likumus un izveidoja pilnīgu vienotu elektromagnētiskā lauka teorija. Tas ļauj jums izlemt galvenais elektrodinamikas uzdevums: atrodiet noteiktas elektrisko lādiņu un strāvu sistēmas elektromagnētiskā lauka raksturlielumus.

Maksvels to izteica hipotēzi jebkurš mainīgs magnētiskais lauks apkārtējā telpā ierosina virpuļelektrisko lauku, kura cirkulācija ir elektromagnētiskās indukcijas emf cēlonis ķēdē:

(5.1)

Tiek izsaukts vienādojums (5.1). Maksvela otrais vienādojums. Šī vienādojuma nozīme ir tāda, ka mainīgs magnētiskais lauks rada virpuļveida elektrisko lauku, un pēdējais, savukārt, izraisa mainīgu magnētisko lauku apkārtējā dielektrikā vai vakuumā. Tā kā magnētisko lauku rada elektriskā strāva, tad, pēc Maksvela domām, virpuļelektriskais lauks ir jāuzskata par noteiktu strāvu,
kas plūst gan dielektrikā, gan vakuumā. Maksvels sauca šo strāvu nobīdes strāva.

Nobīdes strāva, kā izriet no Maksvela teorijas
un Eihenvalda eksperimenti rada tādu pašu magnētisko lauku kā vadīšanas strāva.

Savā teorijā Maksvels ieviesa šo koncepciju pilna strāva vienāds ar summu
vadīšanas un nobīdes strāvas. Tāpēc kopējais strāvas blīvums

Pēc Maksvela domām, kopējā strāva ķēdē vienmēr ir slēgta, tas ir, tikai vadīšanas strāva pārtrūkst vadītāju galos, un dielektrikā (vakuumā) starp vadītāja galiem ir nobīdes strāva, kas aizver vadīšanas strāva.

Ieviešot kopējās strāvas jēdzienu, Maksvels vispārināja vektora cirkulācijas teorēmu (vai ):

(5.6)

Tiek izsaukts vienādojums (5.6). Maksvela pirmais vienādojums integrālā formā. Tas ir vispārināts kopējās strāvas likums un izsaka elektromagnētiskās teorijas galveno pozīciju: nobīdes strāvas rada tādus pašus magnētiskos laukus kā vadīšanas strāvas.

Maksvela izveidotā vienotā makroskopiskā elektromagnētiskā lauka teorija ļāva no vienota viedokļa ne tikai izskaidrot elektriskās un magnētiskās parādības, bet arī paredzēt jaunas, kuru esamība vēlāk tika apstiprināta praksē (piemēram, atklājums elektromagnētiskie viļņi).

Apkopojot iepriekš apspriestos noteikumus, mēs piedāvājam vienādojumus, kas veido Maksvela elektromagnētiskās teorijas pamatu.

1. Teorēma par magnētiskā lauka vektora cirkulāciju:

Šis vienādojums parāda, ka magnētiskos laukus var radīt vai nu kustīgi lādiņi ( elektriskās strāvas), vai mainīgi elektriskie lauki.

2. Elektriskais lauks var būt gan potenciāls (), gan virpulis (), tātad kopējais lauka stiprums . Tā kā vektora cirkulācija ir vienāda ar nulli, tad kopējā elektriskā lauka intensitātes vektora cirkulācija

Šis vienādojums parāda, ka elektriskā lauka avoti var būt ne tikai elektriskie lādiņi, bet arī laikā mainīgi magnētiskie lauki.

3. ,

kur ir tilpuma lādiņa blīvums slēgtās virsmas iekšpusē; ir vielas īpatnējā vadītspēja.

Stacionāriem laukiem ( E= konst , B= const) Maksvela vienādojumi iegūst formu

tas ir, magnētiskā lauka avoti šajā gadījumā ir tikai
vadīšanas strāvas, un elektriskā lauka avoti ir tikai elektriskie lādiņi. Šajā konkrētajā gadījumā elektriskie un magnētiskie lauki ir neatkarīgi viens no otra, kas ļauj pētīt atsevišķi pastāvīgs elektriskie un magnētiskie lauki.

Izmantojot zināmo no vektora analīzes Stoksa un Gausa teorēmas, var iedomāties pilnīga sistēma Maksvela vienādojumi diferenciālā formā(raksturo lauku katrā telpas punktā):

(5.7)

Acīmredzot Maksvela vienādojumi nav simetrisks par elektriskajiem un magnētiskajiem laukiem. Tas ir saistīts ar faktu, ka daba
Ir elektriskie lādiņi, bet nav magnētisko lādiņu.

Maksvela vienādojumi ir vispārīgākie elektriskie vienādojumi
un magnētiskie lauki vidē miera stāvoklī. Viņiem ir tāda pati loma elektromagnētisma teorijā kā Ņūtona likumiem mehānikā.

elektromagnētiskais vilnis sauc par mainīgu elektromagnētisko lauku, kas izplatās telpā ar ierobežotu ātrumu.

Elektromagnētisko viļņu esamība izriet no Maksvela vienādojumiem, kas formulēti 1865. gadā, pamatojoties uz elektrisko un magnētisko parādību empīrisko likumu vispārinājumu. Elektromagnētiskais vilnis veidojas mainīgu elektrisko un magnētisko lauku savstarpējās savienošanās dēļ - viena lauka izmaiņas izraisa izmaiņas otrā, tas ir, jo ātrāk mainās magnētiskā lauka indukcijas laiks, jo lielāks ir elektriskā lauka stiprums, un pretēji. Tādējādi intensīvu elektromagnētisko viļņu veidošanai ir nepieciešams ierosināt pietiekami augstas frekvences elektromagnētiskās svārstības. Fāzes ātrums tiek noteikti elektromagnētiskie viļņi
elektriskās un magnētiskās īpašības vides:

Vakuumā () elektromagnētisko viļņu izplatīšanās ātrums sakrīt ar gaismas ātrumu; matērijā, tātad elektromagnētisko viļņu izplatīšanās ātrums vielā vienmēr ir mazāks nekā vakuumā.