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Die Verwendung elektromagnetischer Induktion in elektrischen Geräten. Vom Kompass zum Magneten. Umkehrung der Richtung des induktiven Stroms

abstrakt

im Fach "Physik"

Thema: "Entdeckung des Phänomens der elektromagnetischen Induktion"

Abgeschlossen:

Schülergruppe 13103/1

St. Petersburg

2. Experimente von Faraday. 3

3. Praktische Anwendung des Phänomens der elektromagnetischen Induktion. 9

4. Verzeichnis der verwendeten Literatur .. 12

Elektromagnetische Induktion - das Phänomen des Auftretens eines elektrischen Stroms in einem geschlossenen Stromkreis, wenn sich der durch ihn fließende magnetische Fluss ändert. Die elektromagnetische Induktion wurde am 29. August 1831 von Michael Faraday entdeckt. Er fand heraus, dass die elektromotorische Kraft, die in einem geschlossenen Stromkreis auftritt, proportional zur Änderungsrate des magnetischen Flusses durch die von diesem Stromkreis begrenzte Oberfläche ist. Die Größe der elektromotorischen Kraft (EMF) hängt nicht davon ab, was die Änderung des Flusses verursacht - eine Änderung des Magnetfelds selbst oder die Bewegung eines Stromkreises (oder eines Teils davon) in einem Magnetfeld. Der durch diese EMF verursachte elektrische Strom wird als Induktionsstrom bezeichnet.

1820 zeigte Hans Christian Oersted, dass ein elektrischer Strom, der durch einen Stromkreis fließt, eine Magnetnadel auslenkt. Wenn ein elektrischer Strom Magnetismus erzeugt, muss das Auftreten eines elektrischen Stroms mit Magnetismus in Verbindung gebracht werden. Diese Idee erfasste den englischen Wissenschaftler M. Faraday. „Magnetismus in Elektrizität umwandeln“, schrieb er 1822 in sein Tagebuch.

Michael Faraday

Michael Faraday (1791-1867) wurde in London geboren, einem der ärmsten Stadtteile. Sein Vater war Schmied und seine Mutter die Tochter eines Pachtbauern. Als Faraday das schulpflichtige Alter erreichte, wurde er auf die Grundschule geschickt. Der Kurs, den Faraday hier einnahm, war sehr eng und beschränkte sich nur darauf, Lesen, Schreiben und den Beginn des Zählens zu lehren.

Ein paar Schritte von dem Haus entfernt, in dem die Familie Faraday lebte, gab es eine Buchhandlung, die auch eine Buchbinderei war. Hierhin geriet Faraday nach Abschluss der Grundschulzeit, als sich die Frage nach der Berufswahl für ihn stellte. Michael war damals erst 13 Jahre alt. Schon in seiner Jugend, als Faraday gerade mit seiner Selbsterziehung begonnen hatte, strebte er danach, sich ausschließlich auf Fakten zu verlassen und die Berichte anderer mit seinen eigenen Erfahrungen zu verifizieren.

Diese Bestrebungen beherrschten ihn sein ganzes Leben lang als Hauptmerkmale seiner wissenschaftlichen Tätigkeit.Faraday begann schon als Knabe bei der ersten Bekanntschaft mit Physik und Chemie mit physikalischen und chemischen Experimenten. Einmal besuchte Michael eine der Vorlesungen von Humphry Davy, dem großen englischen Physiker. Faraday machte sich eine ausführliche Notiz über den Vortrag, band ihn und schickte ihn an Davy. Er war so beeindruckt, dass er Faraday anbot, mit ihm als Sekretär zu arbeiten. Bald ging Davy auf eine Reise nach Europa und nahm Faraday mit. Zwei Jahre lang besuchten sie die größten europäischen Universitäten.

Nach seiner Rückkehr nach London im Jahr 1815 begann Faraday als Assistent in einem der Laboratorien der Royal Institution in London zu arbeiten. Damals war es eines der besten Physiklabore der Welt. Von 1816 bis 1818 veröffentlichte Faraday eine Reihe kleiner Notizen und kleiner Memoiren zur Chemie. Faradays erste physikalische Arbeit stammt aus dem Jahr 1818.

Basierend auf den Erfahrungen seiner Vorgänger und der Kombination mehrerer seiner eigenen Erfahrungen hatte Michael bis September 1821 die "Erfolgsgeschichte des Elektromagnetismus" gedruckt. Schon damals hat er sich eine völlig korrekte Vorstellung vom Wesen des Phänomens der Auslenkung einer Magnetnadel unter Stromeinwirkung gemacht.

Nach diesem Erfolg unterbrach Faraday sein Studium auf dem Gebiet der Elektrizität für zehn Jahre und widmete sich dem Studium einer Reihe von Themen anderer Art. 1823 machte Faraday eine der wichtigsten Entdeckungen auf dem Gebiet der Physik – er erreichte erstmals die Verflüssigung eines Gases und etablierte gleichzeitig eine einfache, aber gültige Methode, um Gase in eine Flüssigkeit umzuwandeln. 1824 machte Faraday mehrere Entdeckungen auf dem Gebiet der Physik. Er stellte unter anderem fest, dass Licht die Farbe von Glas beeinflusst und diese verändert. Im folgenden Jahr wendet sich Faraday erneut von der Physik der Chemie zu, und das Ergebnis seiner Arbeiten auf diesem Gebiet ist die Entdeckung von Benzin und schwefelhaltiger Naphthalinsäure.

1831 veröffentlichte Faraday eine Abhandlung über eine besondere Art der optischen Täuschung, die als Grundlage für ein schönes und merkwürdiges optisches Projektil namens "Chromotrop" diente. Im selben Jahr wurde eine weitere Abhandlung des Wissenschaftlers „Über vibrierende Platten“ veröffentlicht. Viele dieser Werke könnten den Namen ihres Autors verewigen. Aber die wichtigsten von Faradays wissenschaftlichen Arbeiten sind seine Forschungen auf dem Gebiet des Elektromagnetismus und der elektrischen Induktion.

Faradays Experimente

Besessen von Ideen über die untrennbare Verbindung und Wechselwirkung der Naturkräfte, versuchte Faraday zu beweisen, dass es ebenso möglich ist, mit Hilfe von Magneten Strom zu erzeugen, wie Ampère mit Elektrizität Magnete erzeugen konnte.

Seine Logik war einfach: Mechanische Arbeit verwandelt sich leicht in Wärme; umgekehrt kann Wärme in mechanische Arbeit umgewandelt werden (z. B. in einer Dampfmaschine). Im Allgemeinen tritt unter den Naturgewalten am häufigsten die folgende Beziehung auf: Wenn A B gebiert, dann gebiert B A.

Wenn Ampère mit Hilfe von Elektrizität Magnete erhielt, dann ist es offenbar möglich, "Elektrizität aus gewöhnlichem Magnetismus zu gewinnen". Arago und Ampère stellten sich dieselbe Aufgabe in Paris, Colladon in Genf.

Genau genommen wurde das wichtige Teilgebiet der Physik, das die Phänomene des Elektromagnetismus und der induktiven Elektrizität behandelt und für die Technik heute von so großer Bedeutung ist, von Faraday aus dem Nichts geschaffen. Als Faraday sich schließlich der Forschung auf dem Gebiet der Elektrizität widmete, wurde festgestellt, dass unter normalen Bedingungen die Anwesenheit eines elektrifizierten Körpers ausreicht, um durch seinen Einfluss Elektrizität in jedem anderen Körper anzuregen. Gleichzeitig war bekannt, dass der Draht, durch den der Strom fließt und der auch ein elektrifizierter Körper ist, keine Wirkung auf andere Drähte in der Nähe hat.

Was hat diese Ausnahme verursacht? Das ist die Frage, die Faraday interessierte und deren Lösung ihn zu den wichtigsten Entdeckungen auf dem Gebiet der Induktionselektrizität führte. Faraday macht viele Experimente, macht sich pedantische Notizen. In seinen Labornotizen (1931 vollständig in London unter dem Titel „Faraday's Diary“ veröffentlicht) widmet er jeder kleinen Studie einen Absatz. Zumindest die Tatsache, dass der letzte Absatz des Tagebuchs mit der Nummer 16041 gekennzeichnet ist, spricht für Faradays Effizienz.

Außer einer intuitiven Überzeugung vom universellen Zusammenhang der Phänomene hielt ihn tatsächlich nichts bei seiner Suche nach „Elektrizität aus Magnetismus“. Außerdem verließ er sich wie sein Lehrer Devi mehr auf eigene Experimente als auf mentale Konstruktionen. Davy lehrte ihn:

„Ein gutes Experiment hat mehr Wert als die Nachdenklichkeit eines Genies wie Newton.

Dennoch war es Faraday, der für große Entdeckungen bestimmt war. Als großer Realist zerriss er spontan die Fesseln des Empirismus, die ihm einst von Devi auferlegt wurden, und in diesen Momenten dämmerte ihm eine große Einsicht – er erwarb die Fähigkeit zu den tiefsten Verallgemeinerungen.

Der erste Glücksschimmer zeigte sich erst am 29. August 1831. An diesem Tag testete Faraday im Labor ein einfaches Gerät: einen Eisenring von etwa sechs Zoll Durchmesser, der um zwei isolierte Drahtstücke gewickelt war. Als Faraday eine Batterie an die Klemmen einer Wicklung anschloss, sah sein Assistent, Artillerie-Sergeant Andersen, die Nadel eines Galvanometers, das mit der anderen Wicklung verbunden war, zucken.

Sie zuckte und beruhigte sich, obwohl der Gleichstrom weiter durch die erste Wicklung floss. Faraday überprüfte sorgfältig alle Details dieser einfachen Installation - alles war in Ordnung.

Aber die Galvanometernadel stand hartnäckig auf Null. Aus Verärgerung beschloss Faraday, den Strom abzuschalten, und dann geschah ein Wunder - während des Öffnens des Stromkreises schwang die Galvanometernadel immer wieder auf Null ein!

Das Galvanometer, das während des ganzen Stromdurchgangs vollkommen stillsteht, beginnt zu schwingen, wenn der Stromkreis geschlossen und wenn er geöffnet wird. Es hat sich herausgestellt, dass in dem Moment, in dem ein Strom in die erste Ader geleitet wird, und auch wenn diese Übertragung aufhört, auch in der zweiten Ader ein Strom angeregt wird, der im ersten Fall die entgegengesetzte Richtung mit dem ersten Strom hat und der ist dasselbe im zweiten Fall und dauert nur einen Augenblick.

Hier wurden Faraday die großen Ideen von Ampere, die Verbindung zwischen elektrischem Strom und Magnetismus, in aller Deutlichkeit offenbart. Schließlich wurde die erste Wicklung, in die er Strom eingab, sofort zum Magneten. Wenn wir es als Magnet betrachten, dann zeigte das Experiment vom 29. August, dass Magnetismus Elektrizität zu erzeugen schien. Nur zwei Dinge blieben in diesem Fall seltsam: Warum ließ der Stromstoß beim Einschalten des Elektromagneten schnell nach? Und außerdem, warum erscheint die Überspannung, wenn der Magnet ausgeschaltet ist?

Am nächsten Tag, dem 30. August, eine neue Versuchsreihe. Die Wirkung ist deutlich zum Ausdruck gebracht, aber dennoch völlig unverständlich.

Faraday fühlt, dass die Öffnung irgendwo in der Nähe ist.

„Ich beschäftige mich jetzt wieder mit Elektromagnetismus und denke, dass ich eine erfolgreiche Sache angegriffen habe, aber ich kann dies noch nicht bestätigen. Es kann sehr gut sein, dass ich nach all meiner Arbeit irgendwann Algen anstelle von Fisch herausziehe.

Bis zum nächsten Morgen, dem 24. September, hatte Faraday viele verschiedene Geräte vorbereitet, bei denen die Hauptelemente nicht mehr elektrische Stromwicklungen, sondern Permanentmagnete waren. Und es gab auch eine Wirkung! Der Pfeil wich ab und raste sofort ein. Diese leichte Bewegung trat bei den unerwartetsten Manipulationen mit dem Magneten auf, manchmal, wie es schien, zufällig.

Der nächste Versuch ist am 1. Oktober. Faraday beschließt, ganz zum Anfang zurückzukehren - zu zwei Wicklungen: eine mit Strom, die andere mit einem Galvanometer verbunden. Der Unterschied zum ersten Experiment ist das Fehlen eines Stahlrings - des Kerns. Das Spritzen ist fast nicht wahrnehmbar. Das Ergebnis ist trivial. Es ist klar, dass ein Magnet ohne Kern viel schwächer ist als ein Magnet mit Kern. Daher ist der Effekt weniger ausgeprägt.

Faraday ist enttäuscht. Zwei Wochen lang nähert er sich den Instrumenten nicht und denkt über die Gründe für das Scheitern nach.

„Ich nahm einen zylindrischen Magnetstab (3/4 Zoll im Durchmesser und 8 1/4 Zoll lang) und steckte ein Ende davon in eine Spule aus Kupferdraht (220 Fuß lang), die mit einem Galvanometer verbunden war. Dann schob ich den Magneten mit einer schnellen Bewegung in die gesamte Länge der Spirale, und die Nadel des Galvanometers erfuhr einen Stoß. Dann zog ich den Magneten genauso schnell aus der Spirale, und die Nadel schwang wieder, aber in die entgegengesetzte Richtung. Diese Ausschläge der Nadel wiederholten sich jedes Mal, wenn der Magnet hinein- oder herausgeschoben wurde.“

Das Geheimnis liegt in der Bewegung des Magneten! Der Stromimpuls wird nicht durch die Position des Magneten bestimmt, sondern durch die Bewegung!

Dies bedeutet, dass "eine elektrische Welle nur entsteht, wenn sich der Magnet bewegt, und nicht aufgrund der Eigenschaften, die ihm im Ruhezustand innewohnen."

Reis. 2. Experiment von Faraday mit einer Spule

Diese Idee ist bemerkenswert fruchtbar. Wenn die Bewegung eines Magneten relativ zu einem Leiter Strom erzeugt, dann muss offenbar auch die Bewegung eines Leiters relativ zu einem Magneten Strom erzeugen! Darüber hinaus wird diese "elektrische Welle" nicht verschwinden, solange die gegenseitige Bewegung des Leiters und des Magneten andauert. Das bedeutet, dass es möglich ist, einen Stromgenerator zu schaffen, der beliebig lange arbeitet, solange die gegenseitige Bewegung des Drahtes und des Magneten anhält!

Am 28. Oktober installierte Faraday eine rotierende Kupferscheibe zwischen den Polen eines Hufeisenmagneten, von der elektrische Spannung durch Schleifkontakte (einer auf der Achse, der andere am Umfang der Scheibe) entfernt werden konnte. Es war der erste elektrische Generator, der von Menschenhand geschaffen wurde. So wurde neben den bisher bekannten (Reibung und chemische Prozesse) - Induktion - eine neue Quelle elektrischer Energie gefunden, und eine neue Art dieser Energie - Induktionselektrizität.

Ähnliche Experimente wie die von Faraday wurden, wie bereits erwähnt, in Frankreich und der Schweiz durchgeführt. Colladon, Professor an der Genfer Akademie, war ein erfahrener Experimentator (zum Beispiel führte er genaue Messungen der Schallgeschwindigkeit im Wasser des Genfersees durch). Vielleicht hat er, aus Angst vor Erschütterungen der Instrumente, wie Faraday das Galvanometer so weit wie möglich vom Rest der Anlage entfernt. Viele behaupteten, Colladon habe die gleichen flüchtigen Bewegungen des Pfeils wie Faraday beobachtet, aber in Erwartung einer stabileren, dauerhafteren Wirkung diesen "zufälligen" Ausbrüchen nicht die gebührende Bedeutung beigemessen ...

In der Tat war die Meinung der meisten Wissenschaftler jener Zeit, dass der umgekehrte Effekt der „Erzeugung von Elektrizität aus Magnetismus“ anscheinend den gleichen stationären Charakter haben sollte wie der „direkte“ Effekt – „Bildung von Magnetismus“ durch elektrischen Strom. Die unerwartete „Vergänglichkeit“ dieses Effekts verwirrte viele, einschließlich Colladon, und diese vielen bezahlten für ihr Vorurteil.

Faraday setzte seine Experimente fort und entdeckte weiter, dass eine einfache Annäherung eines zu einer geschlossenen Kurve verdrillten Drahtes an einen anderen, entlang dem ein galvanischer Strom fließt, ausreicht, um einen induktiven Strom in der dem galvanischen Strom entgegengesetzten Richtung in einem Neutralleiter zu erregen, d.h das Entfernen eines Neutralleiters wieder einen induktiven Strom in ihm erregt, der Strom bereits in der gleichen Richtung ist wie der galvanische Strom, der entlang eines festen Drahtes fließt, und dass diese induktiven Ströme schließlich nur beim Annähern und Entfernen des Neutralleiters angeregt werden Draht zum Leiter des galvanischen Stroms, und ohne diese Bewegung werden die Ströme nicht angeregt, egal wie nahe die Drähte beieinander liegen .

Somit wurde ein neues Phänomen entdeckt, ähnlich dem oben beschriebenen Phänomen der Induktion während des Schließens und Beendens des galvanischen Stroms. Diese Entdeckungen wiederum führten zu neuen. Wenn es möglich ist, durch Schließen und Stoppen des galvanischen Stroms einen induktiven Strom zu erzeugen, würde dann nicht das gleiche Ergebnis durch Magnetisierung und Entmagnetisierung von Eisen erzielt werden?

Die Arbeit von Oersted und Ampère hatte bereits die Beziehung zwischen Magnetismus und Elektrizität hergestellt. Es war bekannt, dass Eisen ein Magnet wird, wenn ein isolierter Draht um es gewickelt wird und ein galvanischer Strom durch diesen fließt, und dass die magnetischen Eigenschaften dieses Eisens aufhören, sobald der Strom aufhört.

Darauf basierend entwickelte Faraday diese Art von Experiment: Zwei isolierte Drähte wurden um einen Eisenring gewickelt; Außerdem wurde ein Draht um eine Hälfte des Rings gewickelt und der andere um die andere. Ein Strom von einer galvanischen Batterie wurde durch einen Draht geleitet, und die Enden des anderen wurden mit einem Galvanometer verbunden. Wenn also der Strom geschlossen oder gestoppt wurde und folglich der Eisenring magnetisiert oder entmagnetisiert wurde, oszillierte die Galvanometernadel schnell und hörte dann schnell auf, dh alle gleichen augenblicklichen induktiven Ströme wurden im Neutralleiter erregt - dies Zeit: bereits unter dem Einfluss von Magnetismus.

Reis. 3. Faradays Experiment mit einem Eisenring

Hier wurde also erstmals Magnetismus in Strom umgewandelt. Nachdem Faraday diese Ergebnisse erhalten hatte, beschloss er, seine Experimente zu diversifizieren. Anstelle eines Eisenrings begann er, ein Eisenband zu verwenden. Anstatt Magnetismus in Eisen mit galvanischem Strom anzuregen, magnetisierte er das Eisen, indem er es mit einem Dauermagneten aus Stahl in Berührung brachte. Das Ergebnis war das gleiche: In dem um das Eisen gewickelten Draht wurde immer im Moment der Magnetisierung und Entmagnetisierung des Eisens ein Strom angeregt. Dann führte Faraday einen Stahlmagneten in die Drahtspirale ein – dessen Annäherung und Entfernung verursachte Induktionsströme im Draht. Mit einem Wort, der Magnetismus im Sinne der Erregung induktiver Ströme wirkte genau so wie der galvanische Strom.

Damals beschäftigten sich Physiker intensiv mit einem 1824 von Arago entdeckten mysteriösen Phänomen und fanden keine Erklärung, obwohl so herausragende Wissenschaftler der damaligen Zeit wie Arago selbst, Ampère, Poisson, Babaj und Herschel intensiv danach suchten Erläuterung. Die Sache war folgende. Eine frei hängende Magnetnadel kommt schnell zum Stillstand, wenn man einen Kreis aus nicht magnetischem Metall darunter bringt; wird der Kreis dann in Drehbewegung versetzt, beginnt die Magnetnadel ihm zu folgen.

In einem ruhigen Zustand war es unmöglich, die geringste Anziehung oder Abstoßung zwischen dem Kreis und dem Pfeil zu entdecken, während derselbe Kreis, der sich bewegte, nicht nur einen leichten Pfeil, sondern auch einen schweren Magneten hinter sich herzog. Dieses wahrhaft wundersame Phänomen erschien den damaligen Wissenschaftlern als ein mysteriöses Rätsel, etwas jenseits des Natürlichen. Faraday ging auf der Grundlage seiner obigen Daten davon aus, dass ein Kreis aus nicht magnetischem Metall unter dem Einfluss eines Magneten während der Rotation durch induktive Ströme umgewälzt wird, die auf die Magnetnadel einwirken und sie hinter den Magneten ziehen. Indem er den Rand des Kreises zwischen die Pole eines großen hufeisenförmigen Magneten einführte und die Mitte und den Rand des Kreises mit einem Galvanometer mit einem Draht verband, erhielt Faraday während der Drehung des Kreises einen konstanten elektrischen Strom.

Im Anschluss daran entschied sich Faraday für ein anderes Phänomen, das damals allgemeine Neugier hervorrief. Wie Sie wissen, werden Eisenspäne, wenn sie auf einen Magneten gestreut werden, entlang bestimmter Linien gruppiert, die Magnetkurven genannt werden. Faraday, der auf dieses Phänomen aufmerksam machte, gab 1831 den Grundlagen für magnetische Kurven den Namen "magnetische Kraftlinien", die dann allgemein verwendet wurden. Die Untersuchung dieser "Linien" führte Faraday zu einer neuen Entdeckung, es stellte sich heraus, dass für die Anregung induktiver Ströme die Annäherung und Entfernung der Quelle vom Magnetpol nicht erforderlich ist. Um Ströme anzuregen, genügt es, die magnetischen Kraftlinien auf bekannte Weise zu kreuzen.

Reis. 4. "Magnetkraftlinien"

Weitere Werke Faradays in der genannten Richtung erhielten aus heutiger Sicht den Charakter von etwas ganz Wunderbarem. Anfang 1832 demonstrierte er einen Apparat, in dem induktive Ströme ohne Zuhilfenahme eines Magneten oder galvanischen Stroms angeregt wurden. Das Gerät bestand aus einem Eisenstreifen, der in eine Drahtspule gelegt wurde. Dieses Gerät gab unter gewöhnlichen Bedingungen nicht das geringste Anzeichen für das Auftreten von Strömen darin; aber sobald ihm eine Richtung gegeben wurde, die der Richtung der Magnetnadel entsprach, wurde im Draht ein Strom erregt.

Dann gab Faraday einer Spule die Position der Magnetnadel und führte dann einen Eisenstreifen hinein: der Strom wurde wieder angeregt. Der Grund, der den Strom in diesen Fällen verursachte, war Erdmagnetismus, der induktive Ströme wie ein gewöhnlicher Magnet oder galvanischer Strom verursachte. Um dies deutlicher zu zeigen und zu beweisen, unternahm Faraday ein weiteres Experiment, das seine Ideen voll bestätigte.

Er argumentierte, dass, wenn ein Kreis aus nichtmagnetischem Metall, zum Beispiel Kupfer, der sich in einer Position dreht, in der er die magnetischen Kraftlinien eines benachbarten Magneten schneidet, einen induktiven Strom liefert, dann derselbe Kreis, der sich in Abwesenheit dreht ein Magnet, aber in einer Position, in der der Kreis die Linien des Erdmagnetismus kreuzt, muss auch einen induktiven Strom liefern. Und tatsächlich gab ein in einer horizontalen Ebene gedrehter Kupferkreis einen induktiven Strom, der eine merkliche Abweichung der Galvanometernadel hervorrief. Faraday schloss eine Reihe von Studien auf dem Gebiet der elektrischen Induktion mit der 1835 gemachten Entdeckung der „induktiven Wirkung des Stroms auf sich selbst“ ab.

Er fand heraus, dass beim Schließen oder Öffnen eines galvanischen Stroms im Draht selbst, der als Leiter für diesen Strom dient, augenblickliche induktive Ströme angeregt werden.

Der russische Physiker Emil Christoforovich Lenz (1804-1861) gab eine Regel zur Bestimmung der Richtung des induzierten Stroms an. „Der Induktionsstrom ist immer so gerichtet, dass das von ihm erzeugte Magnetfeld die Bewegung, die die Induktion verursacht, behindert oder verlangsamt“, bemerkt A.A. Korobko-Stefanov in seinem Artikel über elektromagnetische Induktion. - Wenn sich beispielsweise die Spule dem Magneten nähert, hat der resultierende induktive Strom eine solche Richtung, dass das von ihm erzeugte Magnetfeld dem Magnetfeld des Magneten entgegengesetzt ist. Dadurch entstehen zwischen Spule und Magnet abstoßende Kräfte. Die Lenzsche Regel folgt aus dem Energieerhaltungs- und -umwandlungsgesetz. Würden Induktionsströme die Bewegung beschleunigen, die sie verursacht, dann würde aus dem Nichts Arbeit entstehen. Die Spule selbst würde nach einem kleinen Stoß auf den Magneten zueilen, und gleichzeitig würde der Induktionsstrom darin Wärme freisetzen. In Wirklichkeit entsteht der Induktionsstrom dadurch, dass Magnet und Spule näher zusammengebracht werden.

Reis. 5. Lenzsche Regel

Warum gibt es einen Induktionsstrom? Eine tiefgreifende Erklärung des Phänomens der elektromagnetischen Induktion lieferte der englische Physiker James Clerk Maxwell, der Schöpfer einer vollständigen mathematischen Theorie des elektromagnetischen Feldes. Um die Essenz der Sache besser zu verstehen, betrachten Sie ein sehr einfaches Experiment. Die Spule bestehe aus einer Drahtwindung und werde von einem magnetischen Wechselfeld senkrecht zur Ebene der Windung durchbohrt. In der Spule fließt natürlich ein Induktionsstrom. Maxwell interpretierte dieses Experiment mit außergewöhnlichem Mut und Unerwartetheit.

Wenn sich das Magnetfeld im Raum ändert, entsteht nach Maxwell ein Vorgang, für den das Vorhandensein einer Drahtspule keine Rolle spielt. Die Hauptsache ist hier das Auftreten geschlossener Ringlinien des elektrischen Feldes, die das sich ändernde Magnetfeld überdecken. Unter der Wirkung des entstehenden elektrischen Feldes beginnen sich Elektronen zu bewegen und in der Spule entsteht ein elektrischer Strom. Eine Spule ist nur ein Gerät, mit dem Sie ein elektrisches Feld erkennen können. Das Wesen des Phänomens der elektromagnetischen Induktion besteht darin, dass ein magnetisches Wechselfeld im umgebenden Raum immer ein elektrisches Feld mit geschlossenen Kraftlinien erzeugt. Ein solches Feld nennt man Wirbelfeld.

Die Forschung auf dem Gebiet der durch Erdmagnetismus erzeugten Induktion gab Faraday die Gelegenheit, bereits 1832 die Idee eines Telegrafen zu äußern, die dann die Grundlage dieser Erfindung bildete. Im Allgemeinen wird die Entdeckung der elektromagnetischen Induktion nicht ohne Grund den herausragendsten Entdeckungen des 19. Jahrhunderts zugeschrieben - die Arbeit von Millionen von Elektromotoren und Stromgeneratoren auf der ganzen Welt basiert auf diesem Phänomen ...

Praktische Anwendung des Phänomens der elektromagnetischen Induktion

1. Rundfunk

Ein magnetisches Wechselfeld, angeregt durch einen wechselnden Strom, erzeugt im umgebenden Raum ein elektrisches Feld, das wiederum ein magnetisches Feld anregt, und so weiter. Diese Felder erzeugen sich gegenseitig und bilden ein einziges variables elektromagnetisches Feld - eine elektromagnetische Welle. Das elektromagnetische Feld, das an der Stelle entstanden ist, an der Strom fließt, breitet sich im Weltraum mit Lichtgeschwindigkeit von -300.000 km/s aus.

Reis. 6. Radio

2. Magnetfeldtherapie

Im Frequenzspektrum nehmen Funkwellen, Licht, Röntgenstrahlen und andere elektromagnetische Strahlung verschiedene Plätze ein. Sie sind in der Regel durch ständig miteinander verbundene elektrische und magnetische Felder gekennzeichnet.

3. Synchrophasotrons

Unter einem Magnetfeld versteht man derzeit eine spezielle Form von Materie, die aus geladenen Teilchen besteht. In der modernen Physik werden Strahlen geladener Teilchen verwendet, um tief in Atome einzudringen, um sie zu untersuchen. Die Kraft, mit der ein Magnetfeld auf ein bewegtes geladenes Teilchen wirkt, wird als Lorentzkraft bezeichnet.

4. Durchflussmesser

Das Verfahren basiert auf der Anwendung des Faradayschen Gesetzes für einen Leiter in einem Magnetfeld: In der Strömung einer elektrisch leitfähigen Flüssigkeit, die sich in einem Magnetfeld bewegt, wird eine EMK proportional zur Strömungsgeschwindigkeit induziert, die von der Elektronik in umgewandelt wird ein elektrisches analoges / digitales Signal.

5. Gleichstromgenerator

Im Generatorbetrieb dreht sich der Anker der Maschine unter dem Einfluss eines äußeren Moments. Zwischen den Polen des Stators gibt es einen konstanten magnetischen Fluss, der den Anker durchdringt. Die Ankerwicklungsleiter bewegen sich in einem Magnetfeld und daher wird in ihnen eine EMK induziert, deren Richtung durch die "Rechte-Hand"-Regel bestimmt werden kann. In diesem Fall entsteht an einer Bürste gegenüber der zweiten ein positives Potential. Wenn eine Last an die Generatorklemmen angeschlossen ist, fließt darin Strom.

6. Transformatoren

Transformatoren werden häufig bei der Übertragung elektrischer Energie über große Entfernungen, ihrer Verteilung zwischen Empfängern sowie in verschiedenen Gleichrichtungs-, Verstärkungs-, Signalisierungs- und anderen Geräten verwendet.

Die Energieumwandlung im Transformator erfolgt durch ein magnetisches Wechselfeld. Der Transformator ist ein Kern aus dünnen, voneinander isolierten Stahlplatten, auf dem zwei und manchmal mehr Wicklungen (Spulen) aus isoliertem Draht angeordnet sind. Die Wicklung, an die die elektrische Wechselstromquelle angeschlossen ist, wird als Primärwicklung bezeichnet, die übrigen Wicklungen werden als Sekundärwicklungen bezeichnet.

Wenn in der Sekundärwicklung des Transformators dreimal mehr Windungen gewickelt sind als in der Primärwicklung, erzeugt das von der Primärwicklung im Kern erzeugte Magnetfeld, das die Windungen der Sekundärwicklung kreuzt, darin dreimal mehr Spannung.

Mit einem Transformator mit umgekehrtem Windungsverhältnis können Sie genauso einfach und einfach eine reduzierte Spannung erhalten.

Verzeichnis der verwendeten Literatur

1. [Elektronische Ressource]. Elektromagnetische Induktion.

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

2. [Elektronische Ressource] Faraday. Entdeckung der elektromagnetischen Induktion.

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

3. [Elektronische Ressource]. Entdeckung der elektromagnetischen Induktion.

4. [Elektronische Ressource]. Praktische Anwendung des Phänomens der elektromagnetischen Induktion.

Das Wort "Induktion" bedeutet auf Russisch die Prozesse der Erregung, Führung, Schaffung von etwas. In der Elektrotechnik wird dieser Begriff seit mehr als zwei Jahrhunderten verwendet.

Nachdem er sich mit den Veröffentlichungen von 1821 vertraut gemacht hatte, in denen die Experimente des dänischen Wissenschaftlers Oersted zu den Abweichungen einer Magnetnadel in der Nähe eines Leiters mit elektrischem Strom beschrieben wurden, stellte sich Michael Faraday die Aufgabe: Magnetismus in Strom umwandeln.

Nach 10 Jahren Forschung formulierte er das Grundgesetz der elektromagnetischen Induktion und erklärte es In jedem geschlossenen Stromkreis wird eine elektromotorische Kraft induziert. Sein Wert wird durch die Änderungsrate des magnetischen Flusses bestimmt, der den betrachteten Stromkreis durchdringt, jedoch mit einem Minuszeichen.

Übertragung elektromagnetischer Wellen über eine Distanz

Die erste Vermutung, die dem Gehirn eines Wissenschaftlers aufging, war nicht von praktischem Erfolg gekrönt.

Er stellte zwei geschlossene Leiter nebeneinander. In der Nähe einer habe ich eine Magnetnadel als Indikator für den fließenden Strom installiert, und in der anderen Leitung habe ich einen Impuls von einer starken galvanischen Quelle dieser Zeit angelegt: einer Voltsäule.

Der Forscher ging davon aus, dass bei einem Stromimpuls im ersten Stromkreis das darin wechselnde Magnetfeld im zweiten Leiter einen Strom induzieren würde, der die Magnetnadel auslenken würde. Das Ergebnis war jedoch negativ - der Indikator funktionierte nicht. Oder besser gesagt, es fehlte ihm an Sensibilität.

Das Gehirn des Wissenschaftlers sah die Erzeugung und Übertragung elektromagnetischer Wellen über eine Entfernung voraus, die heute in Rundfunk, Fernsehen, drahtloser Steuerung, Wi-Fi-Technologien und ähnlichen Geräten verwendet werden. Er war einfach enttäuscht von der unvollkommenen Elementbasis der damaligen Messgeräte.

Energieerzeugung

Nach einem erfolglosen Experiment änderte Michael Faraday die Bedingungen des Experiments.

Für das Experiment verwendete Faraday zwei Spulen mit geschlossenen Kreisen. Im ersten Stromkreis lieferte er elektrischen Strom aus einer Quelle und im zweiten beobachtete er das Auftreten eines EMF. Der Strom, der durch die Windungen der Wicklung Nr. 1 fließt, erzeugt einen magnetischen Fluss um die Spule herum, durchdringt die Wicklung Nr. 2 und bildet darin eine elektromotorische Kraft.

Während des Faraday-Experiments:

schaltete die Impulsspannungsversorgung des Stromkreises mit stationären Spulen ein;
Wenn der Strom angelegt wurde, injizierte er die obere in die untere Spule;
Wicklung Nr. 1 dauerhaft fixiert und Wicklung Nr. 2 darin eingebracht;
die Bewegungsgeschwindigkeit der Spulen relativ zueinander ändern.

In all diesen Fällen beobachtete er die Manifestation der Induktions-EMK in der zweiten Spule. Und nur beim Durchgang von Gleichstrom durch die Wicklung Nr. 1 und die festen Führungsspulen gab es keine elektromotorische Kraft.

Das hat der Wissenschaftler festgestellt Die in der zweiten Spule induzierte EMF hängt von der Geschwindigkeit ab, mit der sich der Magnetfluss ändert. Es ist proportional zu seiner Größe.

Das gleiche Muster zeigt sich vollständig, wenn eine geschlossene Schleife durchläuft: Unter der Wirkung der EMF wird im Draht ein elektrischer Strom gebildet.

Der magnetische Fluss im betrachteten Fall ändert sich in dem durch einen geschlossenen Stromkreis erzeugten Kreis Sk.

Auf diese Weise ermöglichte die von Faraday geschaffene Entwicklung, einen rotierenden leitfähigen Rahmen in einem Magnetfeld zu platzieren.

Es wurde dann aus einer großen Anzahl von Windungen hergestellt, die in Rotationslagern befestigt waren. An den Enden der Wicklung wurden Schleifringe und daran entlang gleitende Bürsten montiert, und eine Last wurde durch die Leitungen am Gehäuse angeschlossen. Das Ergebnis war eine moderne Lichtmaschine.

Sein einfacheres Design entstand, als die Wicklung auf einem stationären Gehäuse befestigt wurde und das Magnetsystem zu rotieren begann. In diesem Fall wurde die Methode der Erzeugung von Strömen auf Kosten in keiner Weise verletzt.

Das Funktionsprinzip von Elektromotoren

Das Gesetz der elektromagnetischen Induktion, das Michael Faraday begründete, ermöglichte verschiedene Konstruktionen von Elektromotoren. Sie haben ein ähnliches Gerät mit Generatoren: einen beweglichen Rotor und Stator, die aufgrund rotierender elektromagnetischer Felder miteinander interagieren.

Stromumwandlung

Michael Faraday bestimmte das Auftreten einer induzierten elektromotorischen Kraft und eines Induktionsstroms in einer nahegelegenen Wicklung, wenn sich das Magnetfeld in der benachbarten Spule ändert.

Der Strom innerhalb der nahe gelegenen Wicklung wird durch Schalten des Schalterkreises in Spule 1 induziert und ist während des Betriebs des Generators immer auf Wicklung 3 vorhanden.

Auf dieser als gegenseitige Induktion bezeichneten Eigenschaft basiert der Betrieb aller modernen Transformatorgeräte.

Um den Durchgang des magnetischen Flusses zu verbessern, haben sie isolierte Wicklungen, die auf einen gemeinsamen Kern gelegt sind, der einen minimalen magnetischen Widerstand hat. Es wird aus speziellen Stahlsorten hergestellt und durch Setzen dünner Bleche in Form von Abschnitten einer bestimmten Form geformt, die als Magnetkreis bezeichnet werden.

Transformatoren übertragen aufgrund gegenseitiger Induktion die Energie eines elektromagnetischen Wechselfelds von einer Wicklung zur anderen, so dass eine Änderung, eine Transformation des Spannungswerts an seinen Eingangs- und Ausgangsklemmen auftritt.

Das Verhältnis der Anzahl der Windungen in den Wicklungen bestimmt Transformationsverhältnis, und die Dicke des Drahtes, das Design und Volumen des Kernmaterials - die Menge der übertragenen Leistung, der Betriebsstrom.

Arbeit von Induktoren

Die Manifestation der elektromagnetischen Induktion wird in der Spule während einer Änderung der Größe des darin fließenden Stroms beobachtet. Dieser Vorgang wird als Selbstinduktion bezeichnet.

Wenn der Schalter im obigen Diagramm eingeschaltet wird, modifiziert der induktive Strom die Art des geradlinigen Anstiegs des Betriebsstroms im Stromkreis sowie während der Auslösung.

Wird anstelle einer konstanten Spannung eine Wechselspannung an den zu einer Spule gewickelten Leiter angelegt, so fließt durch ihn der um den induktiven Widerstand reduzierte Stromwert. Die Energie der Selbstinduktion verschiebt die Phase des Stroms in Bezug auf die angelegte Spannung.

Dieses Phänomen wird in Drosseln verwendet, die dazu bestimmt sind, die hohen Ströme zu reduzieren, die unter bestimmten Betriebsbedingungen der Ausrüstung auftreten. Insbesondere kommen solche Geräte zum Einsatz.

Das Konstruktionsmerkmal des magnetischen Kreises am Induktor ist der Schnitt der Platten, der durch die Bildung eines Luftspalts geschaffen wird, um den magnetischen Widerstand gegen den magnetischen Fluss weiter zu erhöhen.

Drosseln mit geteilter und einstellbarer Lage des Magnetkreises werden in vielen Funktechnik- und Elektrogeräten eingesetzt. Sie sind häufig in den Konstruktionen von Schweißtransformatoren zu finden. Sie reduzieren die Größe des durch die Elektrode geführten Lichtbogens auf den optimalen Wert.

Induktionsöfen

Das Phänomen der elektromagnetischen Induktion manifestiert sich nicht nur in Drähten und Wicklungen, sondern auch in massiven Metallgegenständen. Die in ihnen induzierten Ströme werden Wirbelströme genannt. Beim Betrieb von Transformatoren und Drosseln verursachen sie eine Erwärmung des Magnetkreises und der gesamten Struktur.

Um dieses Phänomen zu verhindern, bestehen die Kerne aus dünnen Metallblechen und sind untereinander mit einer Lackschicht isoliert, die den Durchgang von Induktionsströmen verhindert.

In Heizstrukturen schränken Wirbelströme nicht ein, sondern schaffen die günstigsten Bedingungen für ihren Durchgang. sind in der industriellen Produktion weit verbreitet, um hohe Temperaturen zu erzeugen.

Elektrische Messgeräte

Im Energiebereich operiert nach wie vor eine große Klasse von Induktionsgeräten. Stromzähler mit einer rotierenden Aluminiumscheibe, ähnlich der Konstruktion von Leistungsrelais, Ruhesystemen von Zeigerzählern arbeiten nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion.

Gasmagnetische Generatoren

Wird anstelle eines geschlossenen Rahmens ein leitfähiges Gas, eine Flüssigkeit oder ein Plasma im Feld eines Magneten bewegt, so weichen die elektrischen Ladungen unter der Wirkung magnetischer Feldlinien in genau definierte Richtungen ab und bilden einen elektrischen Strom. Sein Magnetfeld induziert auf den montierten Elektrodenkontaktplatten eine elektromotorische Kraft. Unter seiner Wirkung wird im angeschlossenen Stromkreis zum MHD-Generator ein elektrischer Strom erzeugt.

So manifestiert sich das Gesetz der elektromagnetischen Induktion in MHD-Generatoren.

Es gibt keine so komplexen rotierenden Teile wie den Rotor. Dies vereinfacht das Design, ermöglicht es Ihnen, die Temperatur der Arbeitsumgebung und gleichzeitig die Effizienz der Stromerzeugung erheblich zu erhöhen. MHD-Generatoren fungieren als Backup- oder Notfallquellen, die in kurzen Zeiträumen erhebliche Stromflüsse erzeugen können.

So ist das einst von Michael Faraday begründete Gesetz der elektromagnetischen Induktion auch heute noch aktuell.

Rundfunk

Magnetfeldtherapie

Synchrophasotrons

Durchflussmesser - Meter

Gleichstromgenerator

Transformer

Mit einem Transformator mit umgekehrtem Windungsverhältnis können Sie genauso einfach und einfach eine reduzierte Spannung erhalten.

Praktische Anwendung der elektromagnetischen Induktion

Das Phänomen der elektromagnetischen Induktion wird hauptsächlich dazu verwendet, mechanische Energie in elektrische Stromenergie umzuwandeln. Bewerben Sie sich zu diesem Zweck Lichtmaschinen(Induktionsgeneratoren).

Sünde

ABER

BEI

AUS

Reis. 4.6

Für die industrielle Stromerzeugung werden Kraftwerke genutzt Synchrongeneratoren(Turbogeneratoren, wenn es sich um eine thermische oder nukleare Station handelt, und Hydrogeneratoren, wenn es sich um eine hydraulische Station handelt). Der stationäre Teil eines Synchrongenerators wird genannt Stator, und drehen - Rotor(Abb. 4.6). Der Rotor des Generators hat eine Gleichstromwicklung (Erregerwicklung) und ist ein starker Elektromagnet. Gleichstrom angelegt an
die Erregerwicklung durch den Bürstenkontaktapparat, magnetisiert den Rotor, und in diesem Fall wird ein Elektromagnet mit Nord- und Südpol gebildet.

Auf dem Stator des Generators befinden sich drei um 120 0 gegeneinander versetzte Wechselstromwicklungen, die nach einem bestimmten Schaltkreis miteinander verbunden sind.

Wenn sich ein erregter Rotor mit Hilfe einer Dampf- oder Wasserturbine dreht, passieren seine Pole die Statorwicklungen, und in ihnen wird eine elektromotorische Kraft induziert, die sich gemäß einem harmonischen Gesetz ändert. Außerdem ist der Generator nach einem bestimmten Schema des Stromnetzes mit den Stromverbrauchsknoten verbunden.

Wenn Sie Strom von Generatoren von Stationen über Stromleitungen direkt (bei der Generatorspannung, die relativ klein ist) zu Verbrauchern übertragen, treten im Netz große Energie- und Spannungsverluste auf (Verhältnisse beachten , ). Daher ist es für einen wirtschaftlichen Stromtransport erforderlich, die Stromstärke zu reduzieren. Da jedoch die übertragene Leistung unverändert bleibt, muss die Spannung
um den gleichen Faktor ansteigen, wie der Strom abnimmt.

Beim Stromverbraucher wiederum muss die Spannung auf das erforderliche Maß reduziert werden. Elektrische Geräte, bei denen die Spannung um eine bestimmte Anzahl von Malen erhöht oder verringert wird, werden als bezeichnet Transformer. Die Arbeit des Transformators basiert auch auf dem Gesetz der elektromagnetischen Induktion.

Sünde

Dann

Bei leistungsstarken Transformatoren sind die Spulenwiderstände sehr klein,
Daher sind die Spannungen an den Klemmen der Primär- und Sekundärwicklung ungefähr gleich der EMF:

wo k- Transformationsverhältnis. Bei k<1 () der Transformator ist erziehen, bei k>1 () der Transformator ist Senkung.

Beim Anschluss an die Sekundärwicklung eines Lasttransformators fließt darin Strom. Bei einer Erhöhung des Stromverbrauchs laut Gesetz
Energieeinsparung, dh die von den Generatoren der Station abgegebene Energie soll zunehmen

Das heißt, durch Erhöhen der Spannung mit einem Transformator
in k Mal ist es möglich, die Stromstärke im Stromkreis um den gleichen Betrag zu reduzieren (in diesem Fall verringern sich die Joule-Verluste um k 2 Mal).

Thema 17. Grundlagen der Maxwellschen Theorie für das elektromagnetische Feld. Elektromagnetische Wellen

In den 60er Jahren. 19. Jahrhundert Der englische Wissenschaftler J. Maxwell (1831-1879) fasste die experimentell festgestellten Gesetze elektrischer und magnetischer Felder zusammen und schuf eine vollständige Vereinheitlichung Theorie elektromagnetischer Felder. Es erlaubt Ihnen zu entscheiden die Hauptaufgabe der Elektrodynamik: Finden Sie die Eigenschaften des elektromagnetischen Feldes eines gegebenen Systems elektrischer Ladungen und Ströme.

Maxwell vermutete das Jedes magnetische Wechselfeld erregt im umgebenden Raum ein elektrisches Wirbelfeld, dessen Zirkulation die Ursache für die EMK der elektromagnetischen Induktion im Stromkreis ist:

(5.1)

Gleichung (5.1) wird aufgerufen Maxwells zweite Gleichung. Die Bedeutung dieser Gleichung ist, dass ein sich änderndes Magnetfeld ein elektrisches Wirbelfeld erzeugt, und letzteres wiederum verursacht ein sich änderndes Magnetfeld im umgebenden Dielektrikum oder Vakuum. Da das Magnetfeld durch einen elektrischen Strom erzeugt wird, sollte das elektrische Wirbelfeld nach Maxwell als ein bestimmter Strom betrachtet werden,
die sowohl in einem Dielektrikum als auch im Vakuum fließt. Maxwell nannte diesen Strom Ruhestrom.

Verschiebungsstrom, wie aus Maxwells Theorie folgt
und Eichenwalds Experimente, erzeugt das gleiche Magnetfeld wie der Leitungsstrom.

In seiner Theorie führte Maxwell das Konzept ein voller Strom gleich der Summe
Leitungs- und Verschiebungsströme. Daher die Gesamtstromdichte

Nach Maxwell ist der Gesamtstrom im Stromkreis immer geschlossen, das heißt, nur der Leitungsstrom bricht an den Enden der Leiter, und im Dielektrikum (Vakuum) zwischen den Enden des Leiters fließt ein Verschiebungsstrom, der den schließt Leitungsstrom.

Maxwell führte das Konzept des Gesamtstroms ein und verallgemeinerte den Vektorzirkulationssatz (oder ):

(5.6)

Gleichung (5.6) wird aufgerufen Maxwells erste Gleichung in Integralform. Es ist ein verallgemeinertes Gesetz des Gesamtstroms und drückt die Hauptposition der elektromagnetischen Theorie aus: Verschiebungsströme erzeugen die gleichen Magnetfelder wie Leitungsströme.

Die von Maxwell geschaffene einheitliche makroskopische Theorie des elektromagnetischen Feldes ermöglichte es, von einem einheitlichen Standpunkt aus nicht nur elektrische und magnetische Phänomene zu erklären, sondern neue vorherzusagen, deren Existenz später in der Praxis bestätigt wurde (z. die Entdeckung elektromagnetischer Wellen).

Wir fassen die oben diskutierten Bestimmungen zusammen und stellen die Gleichungen vor, die die Grundlage von Maxwells elektromagnetischer Theorie bilden.

1. Satz über die Zirkulation des Magnetfeldvektors:

Diese Gleichung zeigt, dass Magnetfelder entweder durch bewegte Ladungen (elektrische Ströme) oder durch elektrische Wechselfelder erzeugt werden können.

2. Das elektrische Feld kann sowohl Potential () als auch Wirbel (), also die Gesamtfeldstärke, sein . Da die Zirkulation des Vektors gleich Null ist, ist die Zirkulation des Vektors die gesamte elektrische Feldstärke

Diese Gleichung zeigt, dass die Quellen des elektrischen Feldes nicht nur elektrische Ladungen, sondern auch zeitlich veränderliche Magnetfelder sein können.

3. ,

wo ist die Volumenladungsdichte innerhalb der geschlossenen Oberfläche; ist die spezifische Leitfähigkeit des Stoffes.

Für stationäre Felder ( E= konst , B= const) Die Maxwell-Gleichungen nehmen die Form an

das heißt, die Quellen des Magnetfelds sind in diesem Fall nur
Leitungsströme, und die Quellen des elektrischen Feldes sind nur elektrische Ladungen. In diesem speziellen Fall sind das elektrische und das magnetische Feld unabhängig voneinander, was eine getrennte Untersuchung ermöglicht dauerhaft elektrische und magnetische Felder.

Verwendung bekannt aus der Vektoranalyse Sätze von Stokes und Gauß, kann man sich vorstellen das vollständige System der Maxwell-Gleichungen in Differentialform(Charakterisierung des Feldes an jedem Punkt im Raum):

(5.7)

Offensichtlich Maxwellsche Gleichungen nicht symmetrisch bezüglich elektrischer und magnetischer Felder. Das liegt daran, dass die Natur
Es gibt elektrische Ladungen, aber keine magnetischen Ladungen.

Die Maxwell-Gleichungen sind die allgemeinsten Gleichungen für die Elektrik
und Magnetfelder in ruhenden Medien. Sie spielen in der Theorie des Elektromagnetismus die gleiche Rolle wie die Newtonschen Gesetze in der Mechanik.

Elektromagnetische Welle ein elektromagnetisches Wechselfeld, das sich mit endlicher Geschwindigkeit im Raum ausbreitet.

Die Existenz elektromagnetischer Wellen folgt aus den Maxwellschen Gleichungen, die 1865 auf der Grundlage einer Verallgemeinerung der empirischen Gesetze elektrischer und magnetischer Phänomene formuliert wurden. Eine elektromagnetische Welle entsteht durch die Verbindung von elektrischen und magnetischen Wechselfeldern - eine Änderung des einen Feldes führt zu einer Änderung des anderen, dh je schneller sich die Magnetfeldinduktion zeitlich ändert, desto größer ist die elektrische Feldstärke und und umgekehrt. Zur Bildung intensiver elektromagnetischer Wellen ist es also erforderlich, elektromagnetische Schwingungen mit ausreichend hoher Frequenz anzuregen. Phasengeschwindigkeit elektromagnetische Wellen bestimmt
elektrische und magnetische Eigenschaften des Mediums:

In einem Vakuum ( ) die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen fällt mit der Lichtgeschwindigkeit zusammen; in Materie , deshalb Die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen in Materie ist immer geringer als im Vakuum.

Elektromagnetische Wellen sind Scherwellen –
Schwingungen der Vektoren und treten in zueinander senkrechten Ebenen auf, und die Vektoren , und bilden ein rechtshändiges System. Aus den Maxwellschen Gleichungen folgt auch, dass bei einer elektromagnetischen Welle die Vektoren und immer in den gleichen Phasen schwingen, und die Momentanwerte E und H an jedem Punkt sind durch die Relation verbunden

Gleichungen für ebene elektromagnetische Wellen in Vektorform:

(6.66)

Reis. 6.21

Auf Abb. 6.21 zeigt eine "Momentaufnahme" einer ebenen elektromagnetischen Welle. Daraus ist ersichtlich, dass die Vektoren und ein rechtshändiges System mit der Ausbreitungsrichtung der Wellen bilden. An einem festen Punkt im Raum ändern sich die Vektoren der elektrischen und magnetischen Felder mit der Zeit gemäß einem harmonischen Gesetz.

Zur Charakterisierung der Energieübertragung durch eine beliebige Welle wird in der Physik eine Vektorgröße genannt Energieflussdichte. Es ist numerisch gleich der Energiemenge, die pro Zeiteinheit durch eine Flächeneinheit senkrecht zur Richtung übertragen wird
die Welle breitet sich aus. Die Richtung des Vektors stimmt mit der Richtung der Energieübertragung überein. Den Wert der Energieflussdichte erhält man, indem man die Energiedichte mit der Wellengeschwindigkeit multipliziert

Die Energiedichte des elektromagnetischen Feldes ist die Summe aus der Energiedichte des elektrischen Feldes und der Energiedichte des magnetischen Feldes:

(6.67)

Multipliziert man die Energiedichte einer elektromagnetischen Welle mit ihrer Phasengeschwindigkeit, erhält man die Energieflussdichte

(6.68)

Die Vektoren und stehen senkrecht aufeinander und bilden mit der Ausbreitungsrichtung der Wellen ein rechtshändiges System. Daher die Richtung
Vektor mit der Richtung der Energieübertragung zusammenfällt, und der Modul dieses Vektors wird durch die Beziehung (6.68) bestimmt. Daher kann der Energieflussdichtevektor einer elektromagnetischen Welle als Vektorprodukt dargestellt werden

(6.69)

Vektoranruf Umov-Poynting-Vektor.

Schwingungen und Wellen

Thema 18. Freie harmonische Schwingungen

Bewegungen, die ein gewisses Maß an Wiederholung aufweisen, werden aufgerufen Schwankungen.

Wenn sich die Werte physikalischer Größen, die sich im Bewegungsablauf ändern, in regelmäßigen Abständen wiederholen, spricht man von einer solchen Bewegung Zeitschrift (die Bewegung von Planeten um die Sonne, die Bewegung eines Kolbens im Zylinder eines Verbrennungsmotors usw.). Ein schwingungsfähiges System, unabhängig von seiner physikalischen Natur, wird genannt Oszillator. Ein Beispiel für einen Oszillator ist ein oszillierendes Gewicht, das an einer Feder oder einem Faden aufgehängt ist.

Voller Schwungein vollständiger Zyklus oszillierender Bewegung wird aufgerufen, wonach er in der gleichen Reihenfolge wiederholt wird.

Je nach Art der Anregung werden Schwingungen unterteilt in:

· frei(intrinsisch) auftretend in dem System, das sich nahe der Gleichgewichtsposition nach einem anfänglichen Aufprall präsentiert;

· gezwungen unter periodischer externer Einwirkung auftreten;

· parametrisch, tritt auf, wenn irgendein Parameter des schwingungsfähigen Systems geändert wird;

· Eigenschwingungen in Systemen auftreten, die den Fluss äußerer Einflüsse selbstständig regulieren.

Jede oszillierende Bewegung ist gekennzeichnet Amplitude A - die maximale Abweichung des Schwingungspunktes von der Gleichgewichtsposition.

Mit konstanter Amplitude auftretende Schwingungen eines Punktes werden genannt ungedämpft, und Schwankungen mit allmählich abnehmender Amplitude – Fading.

Die Zeit, die benötigt wird, bis eine vollständige Schwingung erfolgt, wird genannt Zeitraum(T).

Frequenz periodische Schwingungen ist die Anzahl vollständiger Schwingungen pro Zeiteinheit. Einheit der Schwingungsfrequenz - Hertz(Hz). Hertz ist die Frequenz von Schwingungen, deren Periode gleich ist 1 s: 1 Hz = 1 s -1 .

zyklischoder kreisförmige Frequenz periodische Schwingungen ist die Anzahl der vollständigen Schwingungen, die in einer Zeit auftreten 2p mit: . \u003d rad / s.

Das Phänomen der elektromagnetischen Induktion ist ein Phänomen, das im Auftreten einer elektromotorischen Kraft oder Spannung in einem Körper besteht, der sich in einem sich ständig ändernden Magnetfeld befindet. Die elektromotorische Kraft infolge elektromagnetischer Induktion entsteht auch, wenn sich der Körper in einem statischen und inhomogenen Magnetfeld bewegt oder in einem Magnetfeld rotiert, so dass sich seine Linien, die eine geschlossene Kontur schneiden, ändern.

Induzierter elektrischer Strom

Der Begriff "Induktion" bedeutet das Auftreten eines Prozesses als Folge des Einflusses eines anderen Prozesses. Beispielsweise kann ein elektrischer Strom induziert werden, also dadurch entstehen, dass ein Leiter in besonderer Weise einem Magnetfeld ausgesetzt wird. Einen solchen elektrischen Strom nennt man induziert. Die Bedingungen für die Bildung eines elektrischen Stroms infolge des Phänomens der elektromagnetischen Induktion werden später in diesem Artikel diskutiert.

Das Konzept eines Magnetfelds

Bevor man mit der Untersuchung des Phänomens der elektromagnetischen Induktion beginnt, muss man verstehen, was ein Magnetfeld ist. Ein Magnetfeld ist vereinfacht gesagt ein Raumbereich, in dem ein magnetisches Material seine magnetischen Wirkungen und Eigenschaften entfaltet. Dieser Bereich des Raums kann durch Linien dargestellt werden, die Magnetfeldlinien genannt werden. Die Anzahl dieser Linien stellt eine physikalische Größe dar, die als magnetischer Fluss bezeichnet wird. Die magnetischen Feldlinien sind geschlossen, sie beginnen am Nordpol des Magneten und enden am Südpol.

Das Magnetfeld hat die Fähigkeit, auf alle Materialien einzuwirken, die magnetische Eigenschaften haben, z. B. Eisenleiter für elektrischen Strom. Dieses Feld ist durch magnetische Induktion gekennzeichnet, die mit B bezeichnet und in Tesla (T) gemessen wird. Eine magnetische Induktion von 1 T ist ein sehr starkes Magnetfeld, das mit einer Kraft von 1 Newton auf eine Punktladung von 1 Coulomb wirkt, die senkrecht zu den magnetischen Feldlinien mit einer Geschwindigkeit von 1 m / s, also 1 T, fliegt = 1 N * s / (m*Cl).

Wer hat das Phänomen der elektromagnetischen Induktion entdeckt?

Die elektromagnetische Induktion, auf deren Funktionsprinzip viele moderne Geräte basieren, wurde in den frühen 30er Jahren des 19. Jahrhunderts entdeckt. Die Entdeckung der Induktion wird normalerweise Michael Faraday zugeschrieben (Entdeckungsdatum - 29. August 1831). Der Wissenschaftler stützte sich auf die Ergebnisse der Experimente des dänischen Physikers und Chemikers Hans Oersted, der entdeckte, dass ein Leiter, durch den ein elektrischer Strom fließt, ein Magnetfeld um sich herum erzeugt, dh er beginnt, magnetische Eigenschaften zu zeigen.

Faraday wiederum entdeckte das Gegenteil des von Oersted entdeckten Phänomens. Er bemerkte, dass ein sich änderndes Magnetfeld, das durch Ändern der Parameter des elektrischen Stroms im Leiter erzeugt werden kann, zum Auftreten einer Potentialdifferenz an den Enden eines beliebigen Stromleiters führt. Wenn diese Enden beispielsweise durch eine elektrische Lampe verbunden sind, fließt ein elektrischer Strom durch einen solchen Stromkreis.

Als Ergebnis entdeckte Faraday einen physikalischen Prozess, bei dem aufgrund einer Änderung des Magnetfelds, dem Phänomen der elektromagnetischen Induktion, in einem Leiter ein elektrischer Strom auftritt. Dabei ist es für die Bildung eines Induktionsstroms egal, was sich bewegt: Das Magnetfeld oder selbst lässt sich leicht nachweisen, wenn ein entsprechendes Experiment zum Phänomen der elektromagnetischen Induktion durchgeführt wird. Nachdem wir also den Magneten in die Metallspirale gelegt haben, beginnen wir, ihn zu bewegen. Wenn Sie die Enden der Spirale durch einen beliebigen Indikator für elektrischen Strom mit einem Stromkreis verbinden, können Sie das Auftreten von Strom sehen. Jetzt sollten Sie den Magneten in Ruhe lassen und die Spirale relativ zum Magneten auf und ab bewegen. Die Anzeige zeigt auch das Vorhandensein von Strom im Stromkreis an.

Faraday-Experiment

Faradays Experimente bestanden darin, mit einem Leiter und einem Permanentmagneten zu arbeiten. Michael Faraday entdeckte erstmals, dass, wenn sich ein Leiter in einem Magnetfeld bewegt, an seinen Enden eine Potentialdifferenz entsteht. Der sich bewegende Leiter beginnt, die Linien des Magnetfelds zu kreuzen, was den Effekt der Änderung dieses Felds simuliert.

Der Wissenschaftler fand heraus, dass die positiven und negativen Vorzeichen der resultierenden Potentialdifferenz von der Bewegungsrichtung des Leiters abhängen. Wenn beispielsweise der Leiter in einem Magnetfeld angehoben wird, hat die resultierende Potentialdifferenz eine +-Polarität, aber wenn dieser Leiter abgesenkt wird, erhalten wir bereits eine -+-Polarität. Diese Vorzeichenänderungen der Potentiale, deren Differenz als elektromotorische Kraft (EMK) bezeichnet wird, führen zum Auftreten eines Wechselstroms in einem geschlossenen Stromkreis, dh eines Stroms, der ständig seine Richtung in die entgegengesetzte Richtung ändert.

Von Faraday entdeckte Merkmale der elektromagnetischen Induktion

Da wir wissen, wer das Phänomen der elektromagnetischen Induktion entdeckt hat und warum ein induzierter Strom auftritt, werden wir einige der Merkmale dieses Phänomens erklären. Je schneller Sie also den Leiter in einem Magnetfeld bewegen, desto größer ist der Wert des induzierten Stroms im Stromkreis. Ein weiteres Merkmal des Phänomens ist folgendes: Je größer die magnetische Induktion des Feldes ist, dh je stärker dieses Feld ist, desto größer ist die Potentialdifferenz, die es erzeugen kann, wenn sich der Leiter im Feld bewegt. Wenn der Leiter in einem Magnetfeld ruht, entsteht darin keine EMF, da sich die magnetischen Induktionslinien, die den Leiter kreuzen, nicht ändern.

Elektrische Stromrichtung und Regel der linken Hand

Um die Richtung des durch das Phänomen der elektromagnetischen Induktion erzeugten elektrischen Stroms im Leiter zu bestimmen, können Sie die sogenannte Linke-Hand-Regel verwenden. Es kann wie folgt formuliert werden: Wenn die linke Hand so platziert wird, dass die magnetischen Induktionslinien, die am Nordpol des Magneten beginnen, in die Handfläche eintreten, und der hervorstehende Daumen in die Bewegungsrichtung des Leiters hinein gerichtet ist das Feld des Magneten, dann zeigen die verbleibenden vier Finger der linken Hand die Bewegungsrichtung des induzierten Stroms im Leiter an.

Es gibt eine andere Version dieser Regel, sie lautet wie folgt: Wenn der Zeigefinger der linken Hand entlang der magnetischen Induktionslinien gerichtet ist und der hervorstehende Daumen in Richtung des Leiters gerichtet ist, ist der Mittelfinger um 90 Grad gedreht zur Handfläche zeigt die Richtung des im Leiter erscheinenden Stroms an.

Das Phänomen der Selbstinduktion

Hans Christian Oersted entdeckte die Existenz eines Magnetfeldes um einen stromdurchflossenen Leiter oder eine Spule. Der Wissenschaftler fand auch heraus, dass die Eigenschaften dieses Feldes in direktem Zusammenhang mit der Stärke des Stroms und seiner Richtung stehen. Wenn der Strom in der Spule oder dem Leiter variabel ist, wird ein Magnetfeld erzeugt, das nicht stationär ist, dh es ändert sich. Dieses Wechselfeld führt wiederum zum Auftreten eines induzierten Stroms (das Phänomen der elektromagnetischen Induktion). Die Bewegung des Induktionsstroms ist immer entgegengesetzt zu dem durch den Leiter fließenden Wechselstrom, das heißt, er widersteht jeder Richtungsänderung des Stroms im Leiter oder in der Spule. Dieser Vorgang wird als Selbstinduktion bezeichnet. Die dabei entstehende elektrische Potentialdifferenz wird als Selbstinduktions-EMK bezeichnet.

Beachten Sie, dass das Phänomen der Selbstinduktion nicht nur auftritt, wenn sich die Richtung des Stroms ändert, sondern auch bei jeder Änderung, beispielsweise bei einer Erhöhung aufgrund einer Verringerung des Widerstands im Stromkreis.

Um den Widerstand physikalisch zu beschreiben, den jede Stromänderung in einem Stromkreis aufgrund von Selbstinduktion ausübt, wurde der Begriff der Induktivität eingeführt, der in Henry (zu Ehren des amerikanischen Physikers Joseph Henry) gemessen wird. Ein Henry ist eine solche Induktivität, bei der, wenn sich der Strom in 1 Sekunde um 1 Ampere ändert, im Prozess der Selbstinduktion eine EMF von 1 Volt entsteht.

Wechselstrom

Wenn sich der Induktor in einem Magnetfeld zu drehen beginnt, erzeugt er infolge des Phänomens der elektromagnetischen Induktion einen induzierten Strom. Dieser elektrische Strom ist variabel, dh er ändert systematisch seine Richtung.

Wechselstrom ist häufiger als Gleichstrom. Viele Geräte, die über das zentrale Stromnetz betrieben werden, verwenden diese spezielle Stromart. Wechselstrom ist einfacher zu induzieren und zu transportieren als Gleichstrom. In der Regel beträgt die Frequenz des Haushaltswechselstroms 50-60 Hz, dh in 1 Sekunde ändert sich seine Richtung 50-60 Mal.

Die geometrische Darstellung des Wechselstroms ist eine Sinuskurve, die die Abhängigkeit der Spannung von der Zeit beschreibt. Die volle Periode der Sinuskurve für Haushaltsstrom beträgt ungefähr 20 Millisekunden. Entsprechend der thermischen Wirkung ähnelt Wechselstrom dem Gleichstrom, dessen Spannung U max /√2 beträgt, wobei U max die maximale Spannung auf der sinusförmigen Wechselstromkurve ist.

Die Nutzung der elektromagnetischen Induktion in der Technik

Die Entdeckung des Phänomens der elektromagnetischen Induktion löste einen wahren Boom in der Technologieentwicklung aus. Vor dieser Entdeckung konnten Menschen mit elektrischen Batterien nur in begrenztem Umfang Strom erzeugen.

Derzeit wird dieses physikalische Phänomen in elektrischen Transformatoren, in Heizgeräten, die induzierten Strom in Wärme umwandeln, sowie in Elektromotoren und Autogeneratoren genutzt.

Typ