Temat XXIV Prawo Faradaya
To co do tej pory
Prawo Faradaya
Wiemy już, że prąd powoduje pojawienie się pola magnetycznego a ramka z prądem w polu magnetycznym może obracać się. Czy z drugiej strony można za pomocą magnesu indukować w przewodzie prąd elektryczny. Zagadnienie to było badane w latach 20-tych XIX wieku
Zagadnienie to rozwiązał w 1831 M. Faraday, ale zanim to nastało inni uczeni uzyskali pewne częściowe rozwiązania, które inspirowały samego Faradaya W 1825 roku F. Arago przeprowadził eksperyment, w którym nad miedzianą tarczą wisiała igła magnetyczne. Kiedy tarcza zaczęła się obracać igła magnetyczna również obracała się w tą samą stronę co tarcza
Niedługo potem Charles Babbage i John Herschel zademonstrowali efekt odwrotny. Obracając się elektromagnes pociągnął za sobą obrót miedzianego dysku.
Żelazny pierścień z cewkami używany do doświadczeń Nad indukcją przez Faradaya
Dziwne prawo
Dziwne prawo Strumień pola magnetycznego Przez powierzchnię rozpięta na ramce Z drutu Indukowana siła elektromotoryczna w obwodzie zamkniętym jest proporcjonalna do prędkości zmian strumienia pola magnetycznego przenikającego przez Dowolną, prostą powierzchnię rozpiętą na tym obwodzie
To jest właśnie prawo Faradaya Indukowana siła elektromotoryczna w obwodzie zamkniętym jest proporcjonalna do prędkości zmian strumienia pola magnetycznego przenikającego przez dowolną prostą powierzchnię rozpiętą na tym obwodzie Przez prostą powierzchnię rozumiemy tu powierzchnię ciągłą (bez dziur i samoprzecięć)
Prądnica (dynamo) Pierwsza prądnica dysk Faradaya
Urządzenie składa się z dysku wykonanego z przewodnika prądu elektrycznego, umieszczonego w stałym i prostopadłym do płaszczyzny dysku polu magnetycznym wytwarzanym przez magnesy. Podczas obrotu dysku, między środkiem a zewnętrzną częścią dysku powstaje napięcie (siła elektromotoryczna).
Powstawanie siły elektromagnetycznej w dysku tłumaczone może być przez zjawisko indukcji elektromagnetycznej, siły Lorentza
Schemat prądnicy Prądnica dokonuje transformacji energii mechanicznej na energię elektryczną
Prądnica wytwarza prąd zmienny
Komutator pozwala unikać zmiany kierunku prądu
Prądnica Hippolyte Pixi z 1832 roku
Pierwsza prądnica wykorzystana W przemyśle zbudowana przez Johna Woolrich w 1844, Wykorzystywana jako źródło prądu w procesie Galwanostegii
Prądnica Antoniego Pacinotti z 1860 roku
Reguła Lenza Kierunek indukowanej siły elektromotorycznej jest taki, że wywołany przez nią prąd zawsze przeciwdziała zmianie strumienia pola magnetycznego, która tę siłę generuje.
Zadanie Na dwóch równoległych poziomych szynach odległych o L położono pręt o oporze R, i masie m. Szyny są połączone ze źródłem napięcia stałego U i na całej swej długości znajdują się w jednorodnym polu magnetycznym o indukcji B, która jest skierowana prostopadle do płaszczyzny, w której leżą szyny. Współczynnik tarcia pręta o szyny wynosi f. Jaką maksymalną prędkość v m osiągnie pręt? Przyjmij, że początkowa siła F 0 jest większa od siły tarcia.
Samoindukcja W obwodzie, w którym płynie prąd generowane jest pole magnetyczne, które generuje niezerowy strumień pola przez powierzchnię rozpiętą na obwodzie
Samoindukcja W pierwszym przybliżeniu Można przyjąć, że ten strumień jest proporcjonalny do płynącego prądu Współczynnik L jest nazywany Współczynnikiem samoidnukcji
W układzie SI jednostką indukcji własnej jest henr [H], przy czym
Zmienny prąd oznacza zmienny strumień magnetyczny, co prowadzi do generowania siły elektromotorycznej
Ta indukowana siła elektromotoryczna podlega regule Lenza Oznacza to, że przy zwiększaniu prądu w obwodzie na przykład na skutek włączenia zasilania, generowana siła elektromotoryczna indukuje prąd przeciwny do płynącego Przy zanikaniu prądu, na przykład na skutek wyłączenia zasilania, generowana siła elektromotoryczna indukuje prąd podtrzymujący.
Elementy indukcyjne w elektronice
Prądy wirowe
Prądy wirowe
Typowy układ do prezentacji tłumienia magnetycznego wywołanego prądami wirowymi. (a) Ruch metalowego wahadła pomiędzy biegunami magnesu jest silnie tłumiony wskutek działania prądów wirowych. (b) Efekt tłumienia ruchu jest słaby, gdy metalowe wahadło zaopatrzone jest w szczeliny, co oznacza, że działanie prądów wirowych jest ograniczone. (c) Efekt magnetycznego tłumienia ruchu nieprzewodzącego wahadła nie występuje, ponieważ prądy wirowe są niezmiernie słabe.
Szczegółowy obraz metalowej płytki poruszającej się między biegunami magnesu. Podczas wnikania płytki w obszar pola i opuszczania tego obszaru zmieniający się strumień magnetyczny wzbudza prąd wirowy. Siła magnetyczna oddziałująca na pętlę z prądem przeciwdziała ruchowi płytki. Opór magnetyczny i prąd wirowy nie występują, gdy płytka znajduje się całkowicie w obszarze jednorodnego pola.
Prawo Faradaya inny zapis
Krążenie z pola elektrycznego jest równe sile elektromotorycznej Strumień pola elektrycznego I magnetycznego prawo Faradaya
Ciągniemy dalej Zmiana kolejności różniczkowanie - całkowanie
Prawo Faraday a w postaci różniczkowej E B t
Zbieramy równania Prawo Gaussa dla pola elektrycznego Prawo Gaussa dla pola magnetycznego E B t Prawo Faradaya Prawo Ampera
Wymagania Prawo Faradaya Reguła Lenza, samoindukcja Prądnica Prądy wirowe
Przykładowe zadanie Wskaż prawdziwe zdanie dotyczące indukcji elektromagnetycznej a) zjawisko indukcji elektromagnetycznej pozwala na budowę urządzeń do konwersji energii mechanicznej na energię elektryczną; b) przez zjawisko indukcji magnetycznej przy wyłączeniu prądu w obwodzie indukuje się dodatkowa siła E-M; c) zjawisko to opisał M. Faraday w dwóch prawach dotyczących elektrolizy; d) tłumaczy działanie transformatora