Subiecte ale codificatorului examenului unificat de stat: forța electromotoare, rezistența internă a sursei de curent, legea lui Ohm pentru un circuit electric complet.
Încă studiază curent electric am considerat mișcarea direcțională a taxelor gratuite în circuit extern, adică în conductoarele conectate la bornele sursei de curent.
După cum știm, sarcina pozitivă:
Intră în circuitul extern de la borna pozitivă a sursei;
Se deplasează într-un circuit extern sub influența unui staționar câmp electric creat de alte sarcini în mișcare;
Ajunge la terminalul negativ al sursei, completându-și calea în circuitul extern.
Acum sarcina noastră pozitivă trebuie să își închidă calea și să se întoarcă la terminalul pozitiv. Pentru a face acest lucru, el trebuie să depășească segmentul final al căii - în interiorul sursei de curent de la terminalul negativ la cel pozitiv. Dar gândește-te bine: nu vrea deloc să meargă acolo! Terminalul negativ îl atrage spre sine, terminalul pozitiv îl respinge de la sine și, ca urmare, sarcina noastră din interiorul sursei este acționată de o forță electrică direcționată. împotriva mișcarea sarcinii (adică împotriva direcției curentului).
Forță terță parte
Cu toate acestea, curentul curge prin circuit; prin urmare, există o forță care „trage” sarcina prin sursă în ciuda rezistenței câmpului electric al bornelor (Fig. 1).
Orez. 1. Forța terță parte
Această forță se numește forță exterioară; Datorită acesteia funcționează sursa curentă. Forța externă nu are nimic de-a face cu câmpul electric staționar - se spune că are neelectrice origine; în baterii, de exemplu, apare din cauza apariției reacțiilor chimice adecvate.
Să notăm prin munca unei forțe externe de a se mișca sarcina pozitiva q în interiorul sursei de curent de la borna negativă la borna pozitivă. Acest lucru este pozitiv, deoarece direcția forței externe coincide cu direcția mișcării sarcinii. Lucrarea unei forțe externe se mai numește funcţionarea sursei de curent.
Nu există nicio forță externă în circuitul extern, astfel încât munca efectuată de forța externă pentru a muta sarcina în circuitul extern este zero. Prin urmare, munca unei forțe externe pentru a muta o sarcină în jurul întregului circuit este redusă la munca de deplasare a acestei sarcini numai în interiorul sursei de curent. Astfel, aceasta este, de asemenea, munca unei forțe externe pentru a muta sarcina de-a lungul lanțului.
Vedem că forța externă nu este potențială - munca sa atunci când mișcă o sarcină de-a lungul unei căi închise nu este zero. Această nepotenţialitate este cea care asigură circulaţia curentului electric; un câmp electric potențial, așa cum am spus mai devreme, nu poate suporta un curent constant.
Experiența arată că munca este direct proporțională cu sarcina mutată. Prin urmare, raportul nu mai depinde de sarcină și este o caracteristică cantitativă a sursei de curent. Această relație se notează prin:
(1)
Această cantitate se numește forta electromotoare(EMF) a sursei curente. După cum puteți vedea, EMF se măsoară în volți (V), așa că numele „forță electromotoare” este extrem de nefericit. Dar a fost de mult înrădăcinată, așa că trebuie să te împaci cu ea.
Când vedeți inscripția de pe baterie: „1,5 V”, atunci știți că acesta este exact EMF. Este această valoare egală cu tensiunea creată de baterie în circuitul extern? Se dovedește că nu! Acum vom înțelege de ce.
Legea lui Ohm pentru un circuit complet
Orice sursă de curent are propria rezistență, care se numește rezistență internă această sursă. Astfel, sursa de curent are două caracteristici importante: fem și rezistența internă.
Să fie conectată o sursă de curent cu o fem e egală cu și rezistență internă la un rezistor (care este în în acest caz, numit rezistor extern, sau sarcina externă, sau încărcătură utilă). Toate acestea împreună se numesc lanț complet(Fig. 2).
Orez. 2. Circuit complet
Sarcina noastră este să găsim curentul din circuit și tensiunea pe rezistor.
În timp, o sarcină trece prin circuit. Conform formulei (1), sursa de curent efectuează următoarele lucrări:
(2)
Deoarece puterea curentului este constantă, munca sursei este convertită în întregime în căldură, care este eliberată la rezistențe și. Această cantitate de căldură este determinată de legea Joule-Lenz:
(3)
Deci, , și echivalăm părțile din dreapta ale formulelor (2) și (3):
După reducerea cu obținem:
Deci am găsit curentul în circuit:
(4)
Formula (4) se numește legea lui Ohm pentru lanț complet .
Dacă conectați bornele sursei cu un fir de rezistență neglijabilă, veți obține scurt-circuit. În acest caz, curentul maxim va curge prin sursă - curent de scurtcircuit:
Datorită rezistenței interne mici, curentul de scurtcircuit poate fi destul de mare. De exemplu, o baterie AA devine atât de fierbinte încât îți arde mâinile.
Cunoscând puterea curentului (formula (4)), putem găsi tensiunea pe rezistor folosind legea lui Ohm pentru o secțiune a circuitului:
(5)
Această tensiune este diferența de potențial dintre puncte și (Fig. 2). Potențialul punctului este egal cu potențialul terminalului pozitiv al sursei; potenţialul punctului este egal cu potenţialul terminalului negativ. Prin urmare, tensiunea (5) se mai numește tensiune la bornele sursei.
Vedem din formula (5) ce se va întâmpla într-un circuit real - la urma urmei, acesta este înmulțit cu o fracție mai mică de unu. Dar sunt două cazuri când .
1. Sursa de curent ideala. Acesta este numele unei surse cu rezistență internă zero. Când formula (5) dă .
2. Circuit deschis. Să luăm în considerare sursa de curent în sine, în afara circuitului electric. În acest caz, putem presupune că rezistența externă este infinit de mare: . Atunci cantitatea nu se poate distinge de , iar formula (5) ne dă din nou .
Sensul acestui rezultat este simplu: dacă sursa nu este conectată la circuit, atunci un voltmetru conectat la polii sursei își va arăta emf.
Eficiența circuitului electric
Nu este greu de înțeles de ce un rezistor se numește sarcină utilă. Imaginează-ți că este un bec. Căldura generată de un bec este util, deoarece datorită acestei călduri becul își îndeplinește scopul - a da lumină.
Să notăm cantitatea de căldură eliberată de sarcina utilă în timp.
Dacă curentul din circuit este egal cu , atunci
O anumită cantitate de căldură este de asemenea eliberată la sursa curentă:
Cantitatea totală de căldură eliberată în circuit este egală cu:
Eficiența circuitului electric este raportul dintre căldura utilă și căldura totală:
Eficiența circuitului este egală cu unitatea numai dacă sursa de curent este ideală.
Legea lui Ohm pentru o zonă eterogenă
Legea simplă a lui Ohm este valabilă pentru așa-numita secțiune omogenă a circuitului - adică secțiunea în care nu există surse de curent. Acum vom obține relații mai generale, din care urmează atât legea lui Ohm pentru o secțiune omogenă, cât și legea lui Ohm obținută mai sus pentru lanțul complet.
Secțiunea lanțului se numește eterogen, dacă există o sursă de curent pe el. Cu alte cuvinte, o zonă neomogenă este o zonă cu un EMF.
În fig. Figura 3 prezintă o secțiune neuniformă care conține un rezistor și o sursă de curent. FEM a sursei este egală, considerăm rezistența sa internă egal cu zero(dacă rezistența internă a sursei este egală, puteți înlocui pur și simplu rezistorul cu un rezistor).
Orez. 3. EMF „ajută” curentul:
Puterea curentului în zonă este egală cu , curentul curge de la un punct la altul. Acest curent nu este neapărat cauzat de o singură sursă. Secțiunea luată în considerare, de regulă, face parte dintr-un anumit circuit (nu este prezentat în figură), iar alte surse de curent pot fi prezente în acest circuit. Prin urmare, curentul este rezultatul acțiunii combinate toată lumea sursele disponibile în circuit.
Fie potențialele punctelor și egale cu și respectiv. Să subliniem încă o dată că vorbim despre potențialul unui câmp electric staționar generat de acțiunea tuturor surselor circuitului - nu doar sursa aparținând acestei secțiuni, ci și, eventual, a celor situate în afara acestei secțiuni.
Tensiunea din zona noastră este egală cu: . În timp, o sarcină trece prin zonă, în timp ce un câmp electric staționar funcționează:
În plus, sursa de curent efectuează o muncă pozitivă (la urma urmei, sarcina a trecut prin ea!):
Puterea curentului este constantă, prin urmare munca totală de avansare a sarcinii, efectuată în zonă de câmpul electric staționar și forțele externe ale sursei, este convertită în întregime în căldură: .
Înlocuim aici expresii pentru , și legea Joule–Lenz:
Reducând cu , obținem Legea lui Ohm pentru o secțiune neuniformă a unui circuit:
(6)
sau, care este același:
(7)
Vă rugăm să rețineți: există un semn plus în fața acestuia. Am indicat deja motivul pentru aceasta - sursa curentă în acest caz funcționează pozitiv lucru, „trăgând” o sarcină în interiorul său de la terminalul negativ la cel pozitiv. Mai simplu spus, o sursă „ajută” curgerea curentului de la un punct la altul.
Să notăm două consecințe ale formulelor derivate (6) și (7).
1. Dacă zona este omogenă, atunci . Apoi din formula (6) obținem legea lui Ohm pentru o secțiune omogenă a lanțului.
2. Să presupunem că sursa de curent are rezistență internă. Acest lucru, așa cum am menționat deja, este echivalent cu înlocuirea acestuia cu:
Acum să închidem secțiunea noastră conectând punctele și . Obținem circuitul complet discutat mai sus. În acest caz, se dovedește că formula anterioară se va transforma în legea lui Ohm pentru lanțul complet:
Astfel, legea lui Ohm pentru o secțiune omogenă și legea lui Ohm pentru un lanț complet urmează ambele din legea lui Ohm pentru o secțiune neuniformă.
Poate exista un alt caz de conectare, când sursa „împiedecă” curgerea curentului prin zonă. Această situație este prezentată în Fig. 4. Aici curentul care vine de la to este îndreptat împotriva acțiunii forțelor externe ale sursei.
Orez. 4. EMF „interferează” cu curentul:
Cum este posibil acest lucru? Este foarte simplu: alte surse prezente în circuitul din afara secțiunii luate în considerare „coperează” sursa din secțiune și forțează curentul să curgă împotriva. Este exact ceea ce se întâmplă atunci când puneți telefonul la încărcare: adaptorul conectat la priză face ca încărcările să se miște împotriva acțiunii forțelor externe din bateria telefonului, iar bateria este astfel încărcată!
Ce se va schimba acum în derivarea formulelor noastre? Există un singur lucru - munca forțelor externe va deveni negativă:
Atunci legea lui Ohm pentru o zonă neuniformă va lua forma:
(8)
unde este încă tensiunea în zonă.
Să punem împreună formulele (7) și (8) și să scriem legea lui Ohm pentru secțiunea cu EMF după cum urmează:
Curentul curge din punct în punct. Dacă direcția curentului coincide cu direcția forțelor externe, atunci un „plus” este plasat în fața acestuia; dacă aceste direcții sunt opuse, atunci este dat un „minus”.
În această lecție vom arunca o privire mai atentă asupra mecanismului de furnizare a curentului electric pe termen lung. Să introducem conceptele de „sursă de putere”, „forțe externe”, să descriem principiul funcționării lor și, de asemenea, să introducem conceptul de forță electromotoare.
Tema: Legile curentului continuu
Lecția: Forța electromotoare
Într-unul dintre subiectele anterioare (condiții de existență a curentului electric), a fost deja atinsă problema necesității unei surse de energie pentru a menține existența curentului electric pentru o lungă perioadă de timp. Curentul în sine, desigur, poate fi obținut fără astfel de surse de energie. De exemplu, un condensator se descarcă atunci când camera clipește. Dar un astfel de curent va fi prea trecător (Fig. 1).
Orez. 1. Curent de scurtă durată în timpul descărcării reciproce a două electroscoape încărcate opus ()
Forțele Coulomb se străduiesc întotdeauna să aducă împreună sarcini opuse, egalând astfel potențialele de-a lungul întregului circuit. Și, după cum știți, pentru prezența unui câmp și a unui curent, este necesară o diferență de potențial. Prin urmare, este imposibil să se facă fără alte forțe care separă sarcinile și mențin diferența de potențial.
Definiţie. Forțele terțe sunt forțe de origine neelectrică care vizează diluarea sarcinilor.
Aceste forțe pot fi de natură diferită în funcție de tipul sursei. În baterii sunt de origine chimică, în generatoarele electrice sunt de origine magnetică. Ele asigură existența curentului, deoarece munca forțelor electrice într-un circuit închis este întotdeauna zero.
A doua sarcină a surselor de energie, pe lângă menținerea diferenței de potențial, este de a completa pierderile de energie din cauza ciocnirilor electronilor cu alte particule, în urma cărora primele pierd energie cinetică, iar energia internă a conductorului crește.
Forțele străine din interiorul sursei lucrează împotriva forțelor electrice, răspândind sarcinile în direcții opuse cursului lor natural (pe măsură ce se mișcă în circuitul extern) (Fig. 2).
Orez. 2. Schema de acțiune a forțelor terțe
Un analog al acțiunii unei surse de energie poate fi considerat o pompă de apă, care eliberează apă împotriva curgerii sale naturale (de jos în sus, în apartamente). Înapoi la apă natural sub influența gravitației coboară, dar pentru funcționarea continuă a alimentării cu apă a apartamentului, este necesară funcționarea continuă a pompei.
Definiţie. Forța electromotoare este raportul dintre munca forțelor externe pentru a deplasa o sarcină și mărimea acestei sarcini. Denumire -:
Unitate:
Introduce. EMF de circuit deschis și închis
Luați în considerare următorul circuit (Fig. 3):
Orez. 3.
Cu comutatorul deschis și un voltmetru ideal (rezistența este infinit de mare), nu va exista curent în circuit și se va lucra numai la separarea sarcinilor în interiorul celulei galvanice. În acest caz, voltmetrul va afișa valoarea EMF.
Când cheia este închisă, curentul va curge prin circuit, iar voltmetrul nu va mai afișa valoarea EMF, va afișa valoarea tensiunii, la fel ca la capetele rezistenței. Cu o buclă închisă:
Aici: - tensiune pe circuitul extern (pe firele de sarcină și alimentare); - tensiune în interiorul celulei galvanice.
În lecția următoare vom studia legea lui Ohm pentru un circuit complet.
Referințe
- Tikhomirova S.A., Yavorsky B.M. Fizica ( nivel de bază) - M.: Mnemosyne, 2012.
- Gendenshtein L.E., Dick Yu.I. Fizica clasa a X-a. - M.: Ilexa, 2005.
- Myakishev G.Ya., Sinyakov A.Z., Slobodskov B.A. Fizică. Electrodinamică. - M.: 2010.
- ens.tpu.ru ().
- physbook.ru ().
- electrodinamică.narod.ru ().
Teme pentru acasă
- Ce sunt forțele externe, care este natura lor?
- Cum este tensiunea de la polii deschisi ai unei surse de curent legate de EMF-ul acesteia?
- Cum se transformă și se transferă energia într-un circuit închis?
- *Emf-ul bateriei unei lanterne este de 4,5 V. Va arde un bec proiectat pentru 4,5 V la intensitate maximă de la această baterie? De ce?
În fizică există un astfel de concept ca forta electromotoare(abreviat ca EMF) este utilizată ca principală caracteristică energetică a surselor de curent.
Forța electromotoare (EMF)
Forța electromotoare (EMF) – capacitatea unei surse de energie de a crea și menține o diferență de potențial între terminale.
EMF– măsurată în Volți
Tensiunea la bornele sursei este întotdeauna mai mică EMF de mărimea căderii de tensiune.
Forța electromotoare
U RH = E – U R0
U RH – tensiune la bornele sursei. Măsurat cu un circuit extern închis.
E - EMF - măsurată la producător.
Forța electromotoare (EMF) este o mărime fizică care este egală cu câtul de împărțire a muncii care, la deplasarea unei sarcini electrice, este efectuată de forțe exterioare într-un circuit închis, la această sarcină însăși.
Trebuie remarcat faptul că forta electromotoareîntr-o sursă de curent apare și în absența curentului în sine, adică atunci când circuitul este deschis. Această situație se numește, de obicei, „în gol”, și valoarea în sine EMF când este egală cu diferenţa de potenţiale care sunt prezente la bornele sursei de curent.
Forța electromotoare chimică
Chimic forta electromotoare prezente în baterii și baterii galvanice în timpul proceselor de coroziune. În funcție de principiul pe care se bazează funcționarea unei anumite surse de energie, acestea se numesc fie baterii, fie celule galvanice.
Una dintre principalele caracteristici distinctive celule galvanice este că aceste surse actuale sunt, ca să spunem așa, de unică folosință. Când funcționează, acelea substanțe active, datorită căreia se eliberează energia electrică, se dezintegrează aproape complet ca urmare a reacțiilor chimice. De aceea, dacă celula galvanică este complet descărcată, atunci nu mai poate fi folosită ca sursă de curent.
Spre deosebire de celulele galvanice, bateriile sunt reutilizabile. Acest lucru este posibil pentru că acestea reactii chimice care apar în ele sunt reversibile.
Forța electromagnetică electromotoare
Electromagnetic EMF apare în timpul funcționării unor dispozitive precum dinamo, motoare electrice, șocuri, transformatoare etc.
Esența sa este următoarea: atunci când plasați conductori într-un câmp magnetic și îi mutați în așa fel încât câmpurile magnetice să se intersecteze liniile electrice, apare îndrumarea EMF. Dacă circuitul este închis, atunci apare un curent electric în el.
În fizică, fenomenul descris mai sus se numește inducție electromagnetică. Forța electromotoare, care este indus în acest caz, se numește EMF inducţie.
Trebuie remarcat faptul că îndrumarea EMF Inducția are loc nu numai în acele cazuri în care un conductor se mișcă într-un câmp magnetic, ci și atunci când rămâne staționar, dar în același timp amploarea câmpului magnetic în sine se modifică.
Forța electromotoare fotovoltaică
Acest soi forta electromotoare apare atunci când există fie un efect fotoelectric extern, fie intern.
În fizică, efectul fotoelectric (efectul fotoelectric) înseamnă acel grup de fenomene care au loc atunci când o substanță este expusă la lumină și, în același timp, sunt emiși electroni în ea. Acesta se numește efect fotoelectric extern. Daca in acelasi timp apare forta electromotoare sau se modifică conductivitatea electrică a substanței, atunci se vorbește despre efectul fotoelectric intern.
Acum, atât fotoefectele externe, cât și cele interne sunt utilizate pe scară largă pentru proiectarea și producerea unui număr mare de astfel de receptori de radiații luminoase care convertesc semnalele luminoase în semnale electrice. Toate aceste dispozitive se numesc fotocelule și sunt utilizate atât în tehnologie, cât și în realizarea diverselor cercetarea stiintifica. În special, fotocelulele sunt folosite pentru a face cele mai obiective măsurători optice.
Forța de antrenare electrostatică
Cât despre acest tip forta electromotoare, apoi, de exemplu, apare în timpul frecării mecanice care apare în unitățile electroforice (demonstrație specială de laborator și dispozitive auxiliare) și apare și în nori cu tunere.
Generatoarele Wimshurst (acesta este un alt nume pentru mașinile electroforice) folosesc un fenomen numit inducție electrostatică pentru funcționarea lor. În timpul funcționării lor, sarcinile electrice se acumulează la poli, în borcanele Leyden, iar diferența de potențial poate atinge valori foarte semnificative (până la câteva sute de mii de volți).
Natura electricității statice este aceea că apare atunci când echilibrul intramolecular sau intraatomic este perturbat din cauza pierderii sau câștigului de electroni.
Forța electromotoare piezoelectrică
Acest soi forta electromotoare apare atunci când are loc fie strângerea, fie întinderea unor substanțe numite piezoelectrice. Ele sunt utilizate pe scară largă în modele precum senzori piezoelectrici, oscilatoare cu cristal, hidrofoane și multe altele.
Este efectul piezoelectric care stă la baza funcționării senzorilor piezoelectrici. Ei înșiși aparțin așa-numiților senzori de tip generator. În ele, cantitatea de intrare este forța aplicată, iar cantitatea de ieșire este cantitatea de electricitate.
În ceea ce privește dispozitivele precum hidrofoanele, funcționarea acestora se bazează pe principiul așa-numitului efect piezoelectric direct, pe care îl au materialele piezoceramice. Esența sa este că, dacă presiunea sonoră este aplicată pe suprafața acestor materiale, atunci apare o diferență de potențial la electrozii lor. În plus, este proporțională cu valoarea presiunii sonore.
Unul dintre principalele domenii de aplicare a materialelor piezoelectrice este producerea de oscilatoare de cuarț care au rezonatoare de cuarț în proiectarea lor. Astfel de dispozitive sunt concepute pentru a produce oscilații cu o frecvență strict fixă, care sunt stabile atât în timp, cât și cu schimbările de temperatură și, de asemenea, au un nivel foarte scăzut de zgomot de fază.
Forța electromotoare termoionică
Acest soi forta electromotoare apare atunci când emisia termică a particulelor încărcate are loc de la suprafața electrozilor încălziți. Emisia termoionică este utilizată destul de larg în practică, de exemplu, funcționarea aproape tuturor tuburilor radio se bazează pe aceasta.
Forța electromotoare termoelectrică
Acest soi EMF apare atunci când la capete diferite ale conductorilor diferiți sau pur și simplu la diverse zone Distribuția temperaturii în circuit este foarte eterogenă.
Termoelectric forta electromotoare utilizat în dispozitive precum pirometre, termocupluri și mașini de refrigerare. Senzorii a căror funcționare se bazează pe acest fenomen se numesc termoelectrici și sunt, de fapt, termocupluri formate din electrozi din diferite metale lipite între ele. Când aceste elemente sunt fie încălzite, fie răcite, a EMF, care în mărimea sa este proporțională cu modificarea temperaturii.
În material vom înțelege conceptul de fem indusă în situațiile de apariție a acestuia. Vom considera, de asemenea, inductanța ca un parametru cheie pentru apariție flux magnetic când într-un conductor apare un câmp electric.
Inducția electromagnetică este generarea de curent electric prin câmpuri magnetice care se modifică în timp. Datorită descoperirilor lui Faraday și Lenz, modelele au fost formulate în legi, care au introdus simetria în înțelegerea fluxurilor electromagnetice. Teoria lui Maxwell a reunit cunoștințele despre curentul electric și fluxurile magnetice. Datorită descoperirii lui Hertz, omenirea a învățat despre telecomunicații.
În jurul unui conductor care transportă curent electric apare un câmp electromagnetic, dar în paralel are loc și fenomenul opus - inducția electromagnetică. Să luăm în considerare fluxul magnetic folosind un exemplu: dacă un cadru format dintr-un conductor este plasat într-un câmp electric cu inducție și mutat de sus în jos de-a lungul liniilor de forță magnetice sau perpendiculare la stânga și la dreapta pe acestea, atunci fluxul magnetic care trece prin cadru va fi o valoare constantă.
Când cadrul se rotește în jurul axei sale, după un timp fluxul magnetic se va schimba cu o anumită cantitate. Ca urmare, în cadru apare o fem indusă și apare un curent electric, care se numește inducție.
fem indus
Să înțelegem în detaliu care este conceptul de fem indus. Când un conductor este plasat într-un câmp magnetic și se mișcă odată cu intersecția liniilor de câmp, în conductor apare o forță electromotoare numită fem indusă. De asemenea, apare dacă conductorul rămâne staționar, iar câmpul magnetic se mișcă și intersectează conductorul cu linii de forță.
Când conductorul unde apare EMF este închis de circuitul extern, datorită prezenței acestui EMF, un curent indus începe să circule prin circuit. Inducția electromagnetică implică fenomenul de inducere a unui EMF într-un conductor în momentul în care acesta este traversat de liniile câmpului magnetic.
Inducția electromagnetică este proces invers transformare energie mecanicăîn curent electric. Acest concept și legile sale sunt utilizate pe scară largă în inginerie electrică, majoritatea mașinilor electrice se bazează pe acest fenomen.
Legile lui Faraday și Lenz
Legile lui Faraday și Lenz reflectă tiparele de apariție inducție electromagnetică.
Faraday a descoperit că efectele magnetice apar ca urmare a modificărilor fluxului magnetic în timp. În momentul de față conductorul traversează variabila curent magnetic, în ea ia naștere o forță electromotoare, care duce la generarea de curent electric. Poate genera curent magnet permanent, și un electromagnet.
Omul de știință a stabilit că intensitatea curentului crește odată cu o schimbare rapidă a numărului de linii de forță care intersectează circuitul. Adică, EMF de inducție electromagnetică este direct dependentă de viteza fluxului magnetic.
Conform legii lui Faraday, formulele de fem indus sunt definite după cum urmează:
Semnul minus indică relația dintre polaritatea emf indusă, direcția fluxului și viteza de schimbare.
Conform legii lui Lenz, forța electromotoare poate fi caracterizată în funcție de direcția acesteia. Orice modificare a fluxului magnetic din bobină duce la apariția unei feme induse, iar cu o schimbare rapidă, se observă o creștere a fem.
Dacă o bobină, unde există o fem indusă, are un scurtcircuit la un circuit extern, atunci un curent indus trece prin ea, în urma căruia apare un câmp magnetic în jurul conductorului și bobina capătă proprietățile unui solenoid. Ca rezultat, în jurul bobinei se formează propriul câmp magnetic.
E.H. Lenz a stabilit un model conform căruia se determină direcția curentului indus în bobină și FEM indusă. Legea prevede că f.e.m. indusă într-o bobină, atunci când fluxul magnetic se modifică, formează un curent în bobină în direcția în care un anumit flux magnetic al bobinei face posibilă evitarea modificărilor fluxului magnetic străin.
Legea lui Lenz se aplică tuturor situațiilor de inducție a curentului electric în conductori, indiferent de configurația acestora și de modul de modificare a câmpului magnetic extern.
Mișcarea unui fir într-un câmp magnetic
Valoarea emf indusă se determină în funcţie de lungimea conductorului străbătut de liniile de câmp. Cu un număr mai mare de linii electrice, mărimea FEM indusă crește. Pe măsură ce câmpul magnetic și inducția cresc, în conductor apare o valoare mai mare a EMF. Astfel, valoarea FEM indusă într-un conductor care se mișcă într-un câmp magnetic este direct dependentă de inducerea câmpului magnetic, de lungimea conductorului și de viteza de mișcare a acestuia.
Această dependență este reflectată în formula E = Blv, unde E este emf indusă; B este valoarea inducției magnetice; I este lungimea conductorului; v este viteza mișcării sale.
Rețineți că într-un conductor care se mișcă într-un câmp magnetic, fem indusă apare numai atunci când traversează liniile câmpului magnetic. Dacă conductorul se mișcă de-a lungul liniilor de forță, atunci nu este indusă fem. Din acest motiv, formula se aplică numai în cazurile în care mișcarea conductorului este direcționată perpendicular pe liniile de forță.
Direcția emf indusă și a curentului electric în conductor este determinată de direcția de mișcare a conductorului însuși. A fost elaborată o regulă pentru a identifica direcția mâna dreaptă. Dacă țineți palma mâinii drepte în așa fel încât liniile câmpului să intre în direcția ei, iar degetul mare indică direcția de mișcare a conductorului, atunci celelalte patru degete indică direcția emf indusă și direcția de curentul electric din conductor.
Tambur rotativ
Funcționarea unui generator de curent electric se bazează pe rotirea unei bobine într-un flux magnetic, unde există un anumit număr de spire. EMF este indusă într-un circuit electric ori de câte ori un flux magnetic îl traversează, pe baza formulei fluxului magnetic Ф = B x S x cos α (inducția magnetică înmulțită cu aria suprafeței prin care trece fluxul magnetic și cosinusul unghiului format de vectorul de direcție și perpendicular pe plan linii).
Conform formulei, F este afectată de schimbări în situații:
- când se modifică fluxul magnetic, vectorul direcției se schimbă;
- zona cuprinsă în contur se modifică;
- unghiul se schimba.
Este permisă inducerea unui EMF cu un magnet staționar sau un curent constant, dar pur și simplu prin rotirea bobinei în jurul axei sale în câmpul magnetic. În acest caz, fluxul magnetic se modifică atunci când valoarea unghiului se modifică. În timpul rotației, bobina traversează liniile de flux magnetic, rezultând o fem. Cu rotația uniformă are loc schimbare periodică flux magnetic. De asemenea, numărul de linii de câmp care se intersectează în fiecare secundă devine egal cu valorile la intervale de timp egale.
În practică, la generatoarele de curent alternativ, bobina rămâne staționară, iar electromagnetul se rotește în jurul ei.
EMF autoindusă
Când un curent electric alternativ trece prin bobină, se generează un câmp magnetic alternativ, care este caracterizat printr-un flux magnetic în schimbare care induce o fem. Acest fenomen se numește auto-inducție.
Datorită faptului că fluxul magnetic este proporțional cu intensitatea curentului electric, atunci formula pentru FEM de auto-inducție arată astfel:
Ф = L x I, unde L este inductanța, care se măsoară în H. Valoarea sa este determinată de numărul de spire pe unitate de lungime și de dimensiunea secțiunii lor transversale.
Inducerea reciprocă
Când două bobine sunt așezate una lângă alta, se observă în ele o f.e.m. inductivă reciprocă, care este determinată de configurația celor două circuite și de orientarea lor reciprocă. Pe măsură ce separarea circuitelor crește, valoarea inductanței reciproce scade, deoarece există o scădere a fluxului magnetic total pentru cele două bobine.
Să luăm în considerare în detaliu procesul de inducție reciprocă. Există două bobine, un curent I1 curge de-a lungul firului uneia cu N1 spire, care creează un flux magnetic și trece prin a doua bobină cu N2 număr de spire.
Valoarea inductanței reciproce a celei de-a doua bobine în raport cu prima:
M21 = (N2 x F21)/I1.
Valoarea fluxului magnetic:
F21 = (M21/N2) x I1.
FEM indusă se calculează prin formula:
E2 = - N2 x dФ21/dt = - M21x dI1/dt.
În prima bobină valoarea emf indusă este:
E1 = - M12 x dI2/dt.
Este important de menționat că forța electromotoare generată de inducția reciprocă într-una dintre bobine este în orice caz direct proporțională cu modificarea curentului electric din cealaltă bobină.
Atunci inductanța reciprocă este considerată egală:
M12 = M21 = M.
Ca o consecință, E1 = - M x dI2/dt și E2 = M x dI1/dt. M = K √ (L1 x L2), unde K este coeficientul de cuplare dintre două valori ale inductivității.
Inducția reciprocă este utilizată pe scară largă în transformatoare, care fac posibilă modificarea valorilor curentului electric alternativ. Dispozitivul constă dintr-o pereche de bobine care sunt înfășurate pe un miez comun. Curentul din prima bobină formează un flux magnetic schimbător în circuitul magnetic și un curent în a doua bobină. Cu mai puține spire în prima bobină decât în a doua, tensiunea crește și, în consecință, cu un număr mai mare de spire în prima bobină, tensiunea scade.
Pe lângă generarea și transformarea energiei electrice, fenomenul inducției magnetice este utilizat și în alte dispozitive. De exemplu, în trenurile cu levitație magnetică se deplasează fără contact direct cu curentul din șine, dar cu câțiva centimetri mai sus din cauza repulsiei electromagnetice.
M. Faraday a descoperit că puterea curentului de inducție este proporțională cu viteza de schimbare a fluxului magnetic prin suprafața limitată de contur:
I i ~ ΔФ/Δt.
Apariția curentului într-un circuit închis înseamnă prezența unor forțe externe, a căror activitate pentru a muta o sarcină unitară în circuit se numește forță electromotoare (EMF). Aceasta înseamnă că, atunci când fluxul se modifică printr-o suprafață delimitată de o buclă închisă, apare o FEM în buclă. ɛ i care se numește fem indusă. Conform legii lui Ohm pentru un circuit închis,. Prin urmare, FEM indusă este proporțională ΔФ/Δt, din moment ce rezistență R nu depinde de modificările fluxului magnetic.
Formulat astfel:
fem indus ɛ iîntr-o buclă închisă este egală ca mărime cu viteza de modificare a fluxului magnetic prin suprafața delimitată de buclă:
.
Experimentele descrise mai sus indică faptul că inducția electromagnetică este apariția unui câmp electric și curent electric atunci când un câmp magnetic se modifică în timp sau când un conductor se mișcă într-un câmp magnetic. Aceste două tipuri de efecte de inducție electromagnetică sunt diferite natura fizica proceselor responsabile de producerea lor. Primul tip se datorează inducerii unui câmp electric vortex de către variabilă câmp magnetic, al doilea - prin acțiunea forțelor Lorentz asupra sarcinilor în mișcare într-un câmp magnetic staționar. În ambele cazuri, legea de bază a inducției este îndeplinită, exprimat prin formula (
).