« Фізика – 10 клас»
Будь-яке джерело струму характеризується електрорушійною силою, або скорочено ЕРС. Так, на круглій батарейці для кишенькового ліхтарика написано: 1,5 ст.
Що це означає?
Якщо з'єднати провідником дві різноіменно заряджені кульки, то заряди швидко нейтралізують один одного, потенціали кульок стануть однаковими, та електричне поле зникне (рис. 15.9, а).
Сторонні сили.
Для того, щоб струм був постійним, треба підтримувати постійна напругаміж кульками. Для цього необхідний пристрій (джерело струму), який би переміщував заряди від однієї кульки до іншої в напрямку, протилежному напрямку сил, що діють на ці заряди з боку електричного поля кульок. У такому пристрої на заряди, крім електричних сил, повинні діяти сили неелектростатичного походження (рис. 15.9 б). Одне лише електричне поле заряджених частинок ( кулонівське поле) не здатне підтримувати постійний струм у ланцюгу.
Будь-які сили, що діють на електрично заряджені частинки, за винятком сил електростатичного походження (тобто кулонівських), називають сторонніми силами.
Висновок про необхідність сторонніх сил для підтримки постійного струму в ланцюзі стане ще очевиднішим, якщо звернутися до закону збереження енергії.
Електростатичне поле є потенційно. Робота цього поля при переміщенні в ньому заряджених частинок по замкнутому електричному ланцюзі дорівнює нулю. Проходження ж струму провідниками супроводжується виділенням енергії - провідник нагрівається. Отже, в ланцюзі має бути якесь джерело енергії, що постачає її в ланцюг. У ньому, окрім кулонівських сил, обов'язково мають діяти сторонні, непотенційні сили. Робота цих сил уздовж замкнутого контуру має бути відмінна від нуля.
Саме в процесі виконання роботи цими силами заряджені частинки набувають усередині джерела струму енергію і віддають її потім провідникам електричного ланцюга.
Сторонні сили надають руху заряджені частинки всередині всіх джерел струму: в генераторах на електростанціях, в гальванічних елементах, акумуляторах і т.д.
При замиканні ланцюга створюється електричне поле у всіх провідниках ланцюга. Усередині джерела струму заряди рухаються під дією сторонніх сил проти кулонівських сил(Електрони від позитивно зарядженого електрода до негативного), а в зовнішньому ланцюгу їх приводить в рух електричне поле (див. рис. 15.9, б).
Природа сторонніх сил.
Природа сторонніх сил може бути різноманітною. У генераторах електростанцій сторонні сили - це сили, що діють із боку магнітного поляна електрони в провіднику, що рухається.
У гальванічному елементі, наприклад, в елементі Вольта, діють хімічні сили.
Елемент Вольта складається з цинкового та мідного електродів, поміщених у розчин сірчаної кислоти. Хімічні сили викликають розчинення цинку у кислоті. У розчин переходять позитивно заряджені іони цинку, а сам цинковий електрод у своїй заряджається негативно. (Мідь дуже мало розчиняється в сірчаній кислоті.) Між цинковим і мідним електродами з'являється різниця потенціалів, яка і обумовлює струм у зовнішньому електричному ланцюзі.
Дія сторонніх сил характеризується важливою фізичною величиною, яка називається електрорушійною силою(Скорочено ЕРС).
Електрорушійна силаджерела струму дорівнює відношенню роботи сторонніх сил при переміщенні заряду замкнутим контуром до абсолютної величини цього заряду:
Електрорушійну силу як і напруга, виражають у вольтах.
Різниця потенціалів на клемах батареї при розімкнутому ланцюзі дорівнює електрорушійній силі. ЕРС одного елемента батареї зазвичай 1-2 Ст.
Можна говорити також про електрорушійну силу і на будь-якій ділянці ланцюга. Це питома робота сторонніх сил (робота з переміщення одиничного заряду) не в усьому контурі, а лише на цій ділянці.
Електрорушійна сила гальванічного елемента є величина, чисельно рівна роботі сторонніх сил при переміщенні одиничного позитивного заряду всередині елемента від одного полюса до іншого.
Робота сторонніх сил може бути виражена через різницю потенціалів, оскільки сторонні сили непотенційні та його робота залежить від форми траєкторії переміщення зарядів.
Для підтримки електричного струмуу провіднику тривалий час, необхідно щоб від кінця провідника, що має менший потенціал (врахуємо, що носії струму передбачаються позитивними зарядами) постійно забиралися заряди, що доставляються струмом, при цьому до кінця з великим потенціалом заряди постійно підводилися. Тобто слід забезпечити кругообіг зарядів. У цьому кругообігу заряди повинні переміщатися замкнутим шляхом. Рух носіїв струму у своїй реалізується з допомогою сил неэлектростатичного походження. Такі сили називаються сторонніми. Виходить, що для підтримки струму потрібні сторонні сили, які діють протягом усього ланцюга або на окремих ділянках ланцюга.
Визначення та формула ЕРС
Визначення
Скалярна фізична величина, яка дорівнює роботі сторонніх сил щодо переміщення одиничного позитивного заряду, називається електрорушійною силою (ЕРС), що діє в ланцюзі або на ділянці ланцюга. ЕРС позначається. Математично визначення ЕРС запишемо як:
де A – робота сторонніх сил, q – заряд, з якого виконується робота.
Електрорушійна сила джерела чисельно дорівнює різниці потенціалів на кінцях елемента, якщо він розімкнуто, що дає можливість виміряти ЕРС по напрузі.
ЕРС, яка діє в замкнутому ланцюгу, може бути визначена як циркуляція вектора напруженості сторонніх сил:
де - Напруженість поля сторонніх сил. Якщо напруженість поля сторонніх сил не дорівнює нулю тільки в частині ланцюга, наприклад, на відрізку 1-2, інтегрування у виразі (2) можна вести тільки по даній ділянці. Відповідно, ЕРС, що діє на ділянці ланцюга 1-2 визначається як:
Формула (2) дає саме загальне визначенняЕРС, яку можна використовувати для будь-яких випадків.
Закон Ома для довільної ділянки ланцюга
Ділянку ланцюга, у якому діють сторонні сили, називають неоднорідним. Для нього виконується рівність:
де U 12 =IR 21 - падіння напруги (або напруга) на ділянці ланцюга 1-2 (I-сила струму);
- Різниця потенціалів кінців ділянки;
– електрорушійна сила, яку містить ділянку ланцюга.
дорівнює алгебраїчній сумі ЕРС всіх джерел, що знаходяться на даній ділянці.
Слід враховувати, що ЕРС може бути позитивною та негативною. ЕРС називають позитивною, якщо вона збільшує потенціал у напрямку струму (струм тече від мінусу до плюсу джерела).
Одиниці виміру
Розмірність ЕРС збігається із розмірністю потенціалу. Основною одиницею виміру ЕРС у системі СІ є: =ВЕлектрорушійна сила елемента дорівнює 10 В. Він створює в ланцюзі силу струму рівну 0,4 А. Яка робота, яку виконують сторонні сили за 1 хв?
Рішення.В якості основи для розв'язання задачі використовуємо формулу для обчислення ЕРС:
Заряд, який проходить у ланцюгу, що розглядається, за 1 хв. можна знайти як:
Виразимо з (1.1) роботу, використовуємо (1.2) для обчислення заряду, отримаємо:
Переведемо час, даної в умовах завдання в секунди (хв = 60 с), проведемо обчислення:
Відповідь. A=240 Дж
Одиниці виміру
Розмірність ЕРС збігається із розмірністю потенціалу. Основною одиницею виміру ЕРС у системі СІ є: =ВМеталевий диск, що має радіус a, обертається з кутовою швидкістю, включений в електричний ланцюг за допомогою ковзних контактів, що стосуються осі диска та його кола (рис.1). Якою буде ЕРС, яка з'явиться між віссю диска та його зовнішнім краєм?
Що таке ЕРС(Електрорушійна сила) у фізиці? Електричний струм зрозумілий далеко не кожному. Як космічна далечінь, тільки під самим носом. Взагалі він і вченим зрозумілий не до кінця. Досить згадати з його знаменитими експериментами, що на віки випередили свій час і навіть у наші дні таємниці, що залишаються в ореолі. Сьогодні ми не розгадуємо великих таємниць, але намагаємося розібратися в тому, що таке ЕРС у фізиці.
Визначення ЕРС у фізиці
ЕРС- електрорушійна сила. Позначається буквою E або маленькою грецькою буквою епсілон.
Електрорушійна сила- скалярна фізична величина, що характеризує роботу сторонніх сил ( сил неелектричного походження), що діють в електричних ланцюгах змінного та постійного струму.
ЕРС, як і напругие, вимірюється у вольтах. Однак ЕРС та напруга – явища різні.
Напруга(Між точками А і Б) - фізична величина, рівна роботі ефективного електричного поля, що здійснюється при переносі одиничного пробного заряду з однієї точки в іншу.
Пояснюємо суть ЕРС "на пальцях"
Щоб розібратися в тому, що є, можна навести приклад-аналогію. Припустимо, що у нас є водонапірна вежа, повністю заповнена водою. Порівняємо цю вежу з батареєю.
Вода чинить максимальний тиск на дно вежі, коли вежа заповнена повністю. Відповідно, чим менше води в вежі, тим слабший тиск і натиск води, що витікає з крана. Якщо відкрити кран, вода поступово витікатиме спочатку під сильним натиском, а потім все повільніше, поки натиск не ослабне зовсім. Тут напруга – це той тиск, який вода чинить на дно. За рівень нульової напруги приймемо саме дно вежі.
Те саме і з батарейкою. Спочатку ми включаємо наше джерело струму (батарейку) у ланцюг, замикаючи його. Нехай це буде годинник або ліхтарик. Поки рівень напруги достатній і батарейка не розрядилася, ліхтарик світить яскраво, потім поступово гасне, поки зовсім не згасне.
Але як зробити так, щоб натиск не зникав? Іншими словами, як підтримувати у вежі постійний рівень води, а на полюсах джерела струму – постійну різницю потенціалів. За прикладом вежі ЕРС є насосом, який забезпечує приплив в вежу нової води.
Природа ЕРС
Причина виникнення ЕРС різних джерел струму різна. За природою виникнення розрізняють такі типи:
- Хімічна ЕРС.Виникає в батареях та акумуляторах внаслідок хімічних реакцій.
- Термо ЕРС.Виникає, коли перебувають при різних температурахконтакти різнорідних провідників з'єднані.
- ЕРС індукції.Виникає в генераторі при приміщенні провідника, що обертається, в магнітне поле. ЕРС буде наводитись у провіднику, коли провідник перетинає силові лінії постійного магнітного поля або коли магнітне поле змінюється за величиною.
- Фотоелектрична ЕРС.Виникненню цієї ЕРС сприяє явище зовнішнього чи внутрішнього фотоефекту.
- П'єзоелектрична ЕРС.ЕРС виникає при розтягуванні чи стисканні речовин.
Дорогі друзі, сьогодні ми розглянули тему «ЕРС для чайників». Як бачимо, ЕРС – сила неелектричного походження, яка підтримує перебіг електричного струму в ланцюзі. Якщо Ви хочете дізнатися, як вирішуються завдання з ЕРС, радимо звернутися до – скрупульозно відібраних та перевірених фахівців, які швидко та зрозуміло роз'яснять хід вирішення будь-якого тематичного завдання. І за традицією наприкінці пропонуємо Вам переглянути навчальне відео. Приємного перегляду та успіхів у навчанні!
Зміст:
Коли народилося поняття «електрон», люди одразу пов'язали його із певною роботою. Електрон – це грецькою «бурштин». Те, що грекам для того, щоб знайти цей марний, загалом магічний камінчик, треба було досить далеко проїхати на північ - такі зусилля тут, загалом, не береться до уваги. А ось варто було проробити деяку роботу - руками по натирання камінця об вовняну суху ганчірочку - і він набував нових властивостей. Це знали усі. Натерти просто так, заради суто безкорисливого інтересу, щоб поспостерігати, як тепер до «електрона» починає притягуватися дрібне сміття: порошинки, шерстинки, ниточки, пір'їнки. Надалі, коли виник цілий клас явищ, об'єднаних потім у поняття «електрика», робота, яку треба обов'язково витратити, не давала людям спокою. Якщо потрібно витратити, щоб вийшов фокус з порошинками - значить, добре б цю роботу якось зберегти, накопичити, а потім і отримати назад.
Таким чином з все більш ускладнюваних фокусів з різними матеріаламиі філософських міркувань і навчилися цю магічну силузбирати у баночку. А потім зробити і так, щоб вона з баночки поступово вивільнялася, викликаючи дії, які вже стало відчути, а дуже скоро і поміряти. І поміряли настільки дотепно, маючи всього пару шовкових кульок або паличок і пружинні крутильні ваги, що й тепер ми цілком серйозно користуємося тими самими формулами для розрахунків електричних ланцюгів, які вже пронизали тепер всю планету, нескінченно складних, порівняно з тими першими пристосуваннями. .
А назва цього могутнього джина, що сидить у баночці, так і досі містить захоплення давніх відкривачів: «Електрорушійна сила». Але тільки ця сила - зовсім не електрична. А навпаки, стороння страшна сила, яка змушує електричні заряди рухатися «проти волі», тобто долаючи взаємне відштовхування, і збиратися десь із одного боку. Від цього виходить різниця потенціалів. Її можна використовувати, пустивши заряди іншим шляхом. Де їх «не вартує» ця страшна ЕРС. І змусити тим самим виконати деяку роботу.
Принцип роботи
ЕРС - це сила різної природи, хоча вимірюється вона у вольтах:
- хімічної. Походить від процесів хімічного заміщення іонів одних металів іонами інших (активніших). В результаті утворюються зайві електрони, що прагнуть «врятуватися» на краю найближчого провідника. Такий процес буває оборотним чи незворотним. Оборотний - в акумуляторах. Їх можна зарядити, повернувши заряджені іони назад у розчин, чому він набуде більше, наприклад, кислотності (у кислотних акумуляторах). Кислотність електроліту і є причиною ЕРС акумулятора, працює безперервно, поки розчин не стане абсолютно нейтральним хімічно.
- Магнітодинамічній. Виникає при дії на провідник, якимось чином орієнтований у просторі, що змінюється магнітного поля. Або від магніту, що рухається щодо провідника, або від руху провідника щодо магнітного поля. Електрони в цьому випадку теж прагнуть рухатися в провіднику, що дозволяє їх уловлювати та поміщати на вихідні контакти пристрою, створюючи різницю потенціалів.
- Електромагнітний. Змінне магнітне поле створюється в магнітному матеріалі змінною електричною напругою первинної обмотки. У вторинній обмотці виникає рух електронів, отже, і напруга, пропорційне напрузі в первинній обмотці. Значком ЕРС трансформатори можуть позначатися у схемах еквівалентного заміщення.
- Фотоелектричні. Світло, потрапляючи на деякі провідні матеріали, здатне вибивати електрони, тобто робити їх вільними. Створюється надлишок цих частинок, через що зайві виштовхуються до одного з електродів (аноду). Виникає напруга, яка здатна породити електричний струм. Такі пристрої називаються фотоелементами. Спочатку були вигадані вакуумні фотоелементи, в яких електроди були встановлені в колбі з вакуумом. Електрони у разі виштовхувалися межі металевої пластинки (катод), а вловлювалися іншим електродом (анод). Такі фотоелементи знайшли застосування у датчиках світла. З винаходом більш практичних напівпровідникових фотоелементів стало можливим створювати з них потужні батареї, щоб підсумовуванням електрорушійної сили кожного з них виробляти суттєву напругу.
- Теплоелектричні. Якщо два різні метали або напівпровідники спаяти в одній точці, а потім в цю точку доставити тепло, наприклад, свічки, то на протилежних кінцях пари металів (термопари) виникає різниця в щільності електронного газу. Ця різниця може накопичуватися, якщо з'єднати термопари послідовним ланцюжком, подібно до з'єднання гальванічних елементів в батареї або окремих фотоелементів в сонячної батареї. ТермоЕРС використовується в дуже точних датчиках температури. З цим явищем пов'язано кілька ефектів (Пельтьє, Томсона, Зеєбека), які успішно досліджуються. Фактом є те, що теплота здатна безпосередньо перетворитися на електрорушійну силу, тобто напругу.
- Електростатичні. Такі джерела ЕРС були вигадані практично одночасно з гальванічними елементами або навіть раніше (якщо вважати натирання бурштину шовком нормальним виробництвом ЕРС). Вони ще називаються електрофорними машинами, або, на ім'я винахідника, генераторами Вімшурста. Хоча Вімшурст створив виразне технічне рішення, що дозволяє знятий потенціал накопичувати в лейденському банку - першому конденсаторі (причому, хорошої ємності). Першою ж електрофорною машиною можна вважати величезну кулю із сірки, насаджену на вісь, - апарат магдебурзького бургомістра Отто фон Геріке в середині XVII століття. Принцип роботи - натирання матеріалів, що легко електризуються від тертя. Щоправда прогрес у фон Герике можна назвати, за приказкою, рухомим лінню, коли немає полювання натирати бурштин чи щось інше вручну. Хоча, звичайно, цього допитливого політика чогось, а фантазії та активності було не позичати. Згадаймо хоча б його ж усім відомий досвід із розриванням двома низками ослів (або мулів) кулі без повітря за ланцюги на дві півкулі.
Електризація, як спочатку передбачали, походить саме від «тертя», тобто, натираючи янтар ганчіркою, ми «зриваємо» з його поверхні електрони. Однак дослідження показали, що тут не так просто. Виявляється, на поверхні діелектриків завжди є нерівномірності заряду і до цих нерівномірностей притягуються іони з повітря. Утворюється така повітряно-іонна шуба, яку ми пошкоджуємо, натираючи поверхню.
- Термоемісійний. При нагріванні металів з їхньої поверхні зриваються електрони. У вакуумі вони досягають іншого електрода та наводять там негативний потенціал. Дуже перспективний зараз напрямок. На малюнку наведено схему захисту гіперзвукового літального апарату від перегріву частин корпусу зустрічним потоком повітря, причому термоелектрони, що випускаються катодом (який при цьому охолоджується - одночасна дія ефектів Пельтьє та/або Томсона), досягають анода, наводячи на ньому заряд. Заряд, вірніше, напруга, яка дорівнює отриманій ЕРС, можна використовувати в ланцюзі споживання всередині апарату.
1 - катод, 2 - анод, 3, 4 - відведення катода та анода, 5 - споживач
- П'єзоелектричний. Багато кристалічних діелектриків, коли відчувають механічний тиск на себе в якомусь напрямку, реагують на нього наведенням різниці потенціалів між своїми поверхнями. Ця різниця залежить від тиску, тому вже використовується в датчиках тиску. П'єзоелектричні запальнички для газових плитне вимагають жодного іншого джерела енергії – лише натискання пальцем на кнопочку. Відомі спроби створення п'єзоелектричної системи запалювання в автомобілях на основі п'єзокераміки, що отримує тиск від системи кулачків, пов'язаних із головним валом двигуна. «Гарні» п'єзоелектрики – у яких пропорційність ЕРС від тиску високо точна – бувають дуже тверді (наприклад, кварц), при механічному тиску майже не деформуються.
- Однак довгий вплив тиском на них викликає їхнє руйнування. У природі сильні верстви кам'яних порід також є п'єзоелектриками, тиску земних товщ наводять величезні заряди на їх поверхнях, що породжує в глибинах землі титанічні бурі та грози. Однак, не все так страшно. Вже були розроблені і еластичні п'єзоелектрики, і навіть почалося виготовлення на їх основі (і на основі нанотехнологій) виробів, що йдуть на продаж.
Те, що одиницею виміру ЕРС є одиниця електричної напруги, зрозуміло. Так як найрізноманітніші механізми, що створюють електрорушійну силу джерела струму, все перетворять свої види енергії в рух і накопичення електронів, а це зрештою і призводить до появи такої напруги.
Струм, що виникає від ЕРС
Електрорушійна сила джерела струму на те і рушійна сила, що електрони від неї починають рухатися, якщо замкнути електричний ланцюг. Їх до цього примушує ЕРС, користуючись своєю неелектричною «половиною» природи, яка не залежить все-таки від половини, пов'язаної з електронами. Так як вважається, що струм у ланцюзі тече від плюса до мінуса (таке визначення напряму було зроблено раніше, ніж всі дізналися, що електрон - негативна частка), то всередині приладу з ЕРС струм робить завершальний рух - від мінуса до плюсу. І завжди малюють у знака ЕРС, куди спрямована стрілочка – +. Тільки в обох випадках - і всередині ЕРС джерела струму, і зовні, тобто в ланцюзі, що споживає, - ми маємо справу з електричним струмом з усіма його обов'язковими властивостями. У провідниках струм наштовхується з їхньої опір. І тут, у першій половині циклу, маємо опір навантаження, у другій, внутрішній, - опір джерела або внутрішній опір.
Внутрішній процес працює не миттєво (хоча дуже швидко), і з певною інтенсивністю. Він здійснює роботу з доставки зарядів від мінуса до плюсу, і це теж зустрічає опір.
Опір це двоякого роду.
- Внутрішній опір працює проти сил, що роз'єднують заряди, він має природу, «близьку» цим роз'єднувальним силам. Принаймні працює з ними в єдиному механізмі. Наприклад, кислота, що відбирає кисень у двоокису свинцю і заміщає його на іони SO 4 -, безперечно відчуває деякий хімічний опір. І це таки проявляється як робота внутрішнього опору акумулятора.
- Коли зовнішня (вихідна) половина ланцюга не замкнута, поява нових і нових електронів одному з полюсів (і зменшення їх з іншого полюса) викликає посилення напруженості електростатичного поля на полюсах акумулятора і посилення відштовхування між електронами. Що дозволяє системі "не йти врознос" і зупинитися на деякому стані насиченості. Більше електронів із акумулятора назовні не приймається. І це зовні виглядає як наявність постійної електричної напруги між клемами акумулятора, яка називається U хх, напругою холостого ходу. І воно чисельно дорівнює ЕРС - електрорушійної сили. Тому і одиницею виміру ЕРС є вольт (у системі СІ).
Але якщо тільки підключити до акумулятора навантаження з провідників, які мають відмінний від нуля опір, то негайно потече струм, сила якого визначається за законом Ома.
Поміряти внутрішній опір джерела ЕРС, начебто, можна. Варто включити в ланцюг амперметр і шунтувати (закоротити) зовнішній опір. Однак внутрішній опір настільки низький, що акумулятор почне розряджатися катастрофічно, виробляючи величезну кількість теплоти, як на зовнішніх закорочених провідниках, так і у внутрішньому просторі джерела.
Однак можна вчинити інакше:
- Виміряти E (пам'ятаємо, напруга холостого ходу, одиниця виміру – вольт).
- Підключити як навантаження деякий резистор і поміряти падіння напруги на ньому. Обчислити струм I 1 .
- Обчислити значення внутрішнього опору джерела ЕРС можна, скориставшись виразом для r
Зазвичай здатність акумулятора видавати електроенергію оцінюється його енергетичною «ємністю» в ампергодині. Але цікаво було б подивитися, який максимальний струм може виробляти. Незважаючи на те, що, можливо, електрорушійна сила джерела струму змусить його вибухнути. Так як ідея влаштувати на ньому коротке замикання здалася не дуже привабливою, можна вирахувати цю величину суто теоретично. ЕРС дорівнює U хх. Просто потрібно домалювати графік залежності падіння напруги на резисторі від струму (отже, і від опору навантаження) до точки, в якій опір навантаження дорівнюватиме нулю. Це точка Iкз, перетин червоної лінії з лінією координати I , в якій напруга U стала нульовою, а вся напруга джерела E буде падати на внутрішній опір.
Основні поняття, що часто видаються простими, не завжди буває можна зрозуміти без залучення прикладів і аналогій. Що таке електрорушійна сила, і як вона працює, можна уявити, тільки розглянувши безліч її проявів. А варто розглянути визначення ЕРС, як воно дається солідними джерелами за допомогою розумних академічних слів – і все починай із початку: електрорушійна сила джерела струму. Або просто вибий на стіні золотими літерами:
У матеріалі розберемося у понятті ЕРС індукції у ситуаціях її виникнення. Також розглянемо індуктивність як ключовий параметр виникнення магнітного потоку з появою електричного поля в провіднику.
Електромагнітна індукція є генерування електричного струму магнітними полями, які змінюються в часі. Завдяки відкриттям Фарадея та Ленца закономірності були сформульовані в закони, що запровадило симетрію до розуміння електромагнітних потоків. Теорія Максвелла зібрала воєдино знання про електричний струм і магнітні потоки. Завдяки відкриття Герца людство дізналося про телекомунікації.
Навколо провідника з електрострумом з'являється електромагнітне поле, однак паралельно виникає зворотне явище – електромагнітна індукція. Розглянемо магнітний потік на прикладі: якщо рамку з провідника помістити в електричне поле з індукцією і переміщати її зверху вниз магнітними силовими лініями або вправо-вліво перпендикулярно їм, тоді магнітний потік, що проходить через рамку, буде постійною величиною.
При обертанні рамки навколо осі, тоді через деякий час магнітний потік зміниться на певну величину. В результаті в рамці виникає ЕРС індукції та з'явиться електричний струм, який називається індукційним.
ЕРС індукції
Розберемося детально, що таке поняття ЕРС індукції. При поміщенні в магнітне поле провідника та його русі з перетином силових ліній поля, у провіднику з'являється електрорушійна сила під назвою ЕРС індукції. Також вона виникає, якщо провідник залишається у нерухомому стані, а магнітне поле переміщається та перетинається з провідником силовими лініями.
Коли провідник, де відбувається виникнення ЕРС, замикається на весняний ланцюг, завдяки наявності даної ЕРС ланцюгом починає протікати індукційний струм. Електромагнітна індукція передбачає явище індукції ЕРС у провіднику в момент його перетину силовими лініями магнітного поля.
Електромагнітна індукція є зворотним процесом трансформації механічної енергії в електрострум. Дане поняття та його закономірності широко використовуються в електротехніці, більшість електромашин ґрунтується на даному явищі.
Закони Фарадея та Ленца
Закони Фарадея та Ленца відображають закономірності виникнення електромагнітної індукції.
Фарадей виявив, що магнітні ефекти з'являються внаслідок зміни магнітного потоку у часі. У момент перетину провідника змінним магнітним струмом, у ньому виникає електрорушійна сила, що призводить до виникнення електричного струму. Генерувати струм може як постійний магніт, і електромагніт.
Вчений визначив, що інтенсивність струму зростає за швидкої зміни кількості силових ліній, які перетинають контур. Тобто ЕРС електромагнітної індукції перебуває у прямій залежності від швидкості магнітного потоку.
Відповідно до закону Фарадея, формули ЕРС індукції визначаються таким чином:
Знак «мінус» вказує на взаємозв'язок між полярністю індукованої ЕРС, напрямом потоку і швидкістю, що змінюється.
Відповідно до закону Ленца, можна охарактеризувати електрорушійну силу залежно від її спрямованості. Будь-яка зміна магнітного потоку в котушці призводить до появи ЕРС індукції, причому при швидкій зміні спостерігається зростання ЕРС.
Якщо котушка, де є ЕРС індукції, має замикання на зовнішній ланцюг, тоді по ній тече індукційний струм, внаслідок чого навколо провідника з'являється магнітне поле і котушка набуває властивостей соленоїда. В результаті навколо котушки формується своє магнітне поле.
Е.Х. Ленц встановив закономірність, за якою визначається напрямок індукційного струму в котушці та ЕРС індукції. Закон свідчить, що ЕРС індукції в котушці при зміні магнітного потоку формує в котушці струм напряму, у якому даний магнітний потік котушки дозволяє уникнути зміни стороннього магнітного потоку.
Закон Ленца застосовується всім ситуацій індуктування електроструму в провідниках, незалежно від його зміни та способу зміни зовнішнього магнітного поля.
Рух дроту у магнітному полі
Значення індуктованої ЕРС визначається залежно від довжини провідника, що перетинається силовими лініями поля. При більшій кількості силових ліній зростає величина індукційної ЕРС. При збільшенні магнітного поля та індукції, більше значення ЕРС виникає у провіднику. Таким чином, значення ЕРС індукції в провіднику, що рухається в магнітному полі, знаходиться в прямій залежності від індукції магнітного поля, довжини провідника і швидкості його руху.
Ця залежність відображена у формулі Е = Blv, де Е - ЕРС індукції; В – значення магнітної індукції; I – довжина провідника; v -швидкість його переміщення.
Зазначимо, що у провіднику, який рухається в магнітному полі, ЕРС індукції з'являється лише тоді, коли він перетинає силові лінії магнітного поля. Якщо провідник рухається силовими лініями, тоді ЕРС не індуктується. З цієї причини формула застосовується лише у випадках, коли рухом провідника спрямовано перпендикулярно до силових ліній.
Напрямок індуктованої ЕРС та електроструму у провіднику визначається напрямом руху самого провідника. Для виявлення напряму розроблено правило правої руки. Якщо тримати долоню правої руки таким чином, щоб у її напрямку входили силові лінії поля, а великий палець вказує напрямок руху провідника, тоді решта чотирьох пальців показує напрямок індуктованої ЕРС і напрямок електроструму в провіднику.
Котушка, що обертається
Функціонування генератора електроструму ґрунтується на обертанні котушки в магнітному потоці, де є певна кількість витків. ЕРС індукується в електричному ланцюзі завжди при перетині її магнітним потоком, на підставі формули магнітного потоку Ф = B x S х cos α (магнітна індукція, помножена на площу поверхні, через яку проходить магнітний потік, і косинус кута, сформований вектором напрямку та перпендикулярної площини лінії).
Відповідно до формули, на Ф впливають зміни у ситуаціях:
- при зміні магнітного потоку змінюється вектор напряму;
- змінюється площа, укладена у контур;
- змінюється кут.
Допускається індукування ЕРС при нерухомому магніті або постійному струмі, а просто при обертанні котушки навколо своєї осі в межах магнітного поля. У разі магнітний потік змінюється при зміні значення кута. Котушка в процесі обертання перетинає силові лінії магнітного потоку, в результаті утворюється ЕРС. При рівномірному обертанні виникає періодична зміна магнітного потоку. Також число силових ліній, які перетинаються щомиті, стає рівним значенням через рівні часові проміжки.
На практиці в генераторах змінного електроструму котушка залишається у нерухомому стані, а електромагніт виконує обертання навколо неї.
ЕРС самоіндукції
При проходженні через котушку змінного електроструму генерується змінне магнітне поле, яке характеризується змінним магнітним потоком, що індукує ЕРС. Це явище називається самоіндукцією.
З огляду на те, що магнітний потік пропорційний інтенсивності електроструму, тоді формула ЕРС самоіндукції виглядає таким чином:
Ф = L x I, де L – індуктивність, яка вимірюється Гн. Її величина визначається числом витків на одиницю довжини та величиною їх поперечного перерізу.
Взаємоіндукція
При розташуванні двох котушок поряд у них спостерігається ЕРС взаємоіндукції, яка визначається конфігурацією двох схем та їх взаємною орієнтацією. При зростанні поділу ланцюгів значення взаємоіндуктивності зменшується, оскільки спостерігається зменшення загального двох котушок магнітного потоку.
Розглянемо детально процес виникнення взаємоіндукції. Існують дві котушки, по дроту однієї з N1 витків тече струм I1, яким створюється магнітний потік і йде через другу котушку з N2 числом витків.
Значення взаємоіндуктивності другої котушки щодо першої:
М21 = (N2 x F21)/I1.
Значення магнітного потоку:
Ф21 = (М21/N2) x I1.
Індукована ЕРС обчислюється за такою формулою:
Е2 = - N2 x dФ21/dt = - M21x dI1/dt.
У першій котушці значення індукованої ЕРС:
Е1 = - M12 x dI2/dt.
Важливо, що електрорушійна сила, спровокована взаємоіндукцією в одній із котушок, у будь-якому випадку прямо пропорційна зміні електричного струму в іншій котушці.
Тоді взаємоіндуктивність вважається рівною:
М12=М21=М.
Внаслідок цього E1 = - M x dI2/dt і E2 = M x dI1/dt. М = К √ (L1 x L2), де є коефіцієнтом зв'язку між двома значеннями інжуктивності.
Взаємоіндукція широко використовується в трансформаторах, які дають можливість змінювати значення змінного електроструму. Прилад є парою котушок, які намотані на загальний сердечник. Струм у першій котушці формує змінний магнітний потік у магнітопроводі і струм у другій котушці. При меншій кількості витків у першій котушці, ніж у другій, зростає напруга, і відповідно при більшій кількості витків у першій обмотці напруга знижується.
Крім генерування та трансформації електричної енергії, явище магнітної індукції використовують у інших приладах. Наприклад, в магнітних левітаційних поїздах, що рухаються без безпосереднього контакту зі струмом у рейках, а на пару сантиметрів вище через електромагнітне відштовхування.