Ce este emf în fizică în cuvinte simple. Circuite electrice

Pentru a menține un curent electric într-un conductor pentru o perioadă lungă de timp, este necesar ca sarcinile furnizate de curent să fie în mod constant îndepărtate de la capătul conductorului, care are un potențial mai mic (se consideră că purtătorii de curent sunt presupuși a fi sarcini pozitive) , în timp ce sarcinile sunt furnizate în mod constant până la capăt cu un potențial mai mare. Adică este necesar să se asigure circulația taxelor. În acest ciclu, încărcăturile trebuie să se deplaseze pe o cale închisă. Mișcarea purtătorilor de curent se realizează folosind forțe de origine neelectrostatică. Astfel de forțe se numesc terți. Se pare că pentru a menține curentul, sunt necesare forțe externe care acționează pe toată lungimea circuitului sau în secțiuni individuale ale circuitului.

Definiția și formula EMF

Definiţie

Se numește o mărime fizică scalară care este egală cu munca forțelor externe pentru a deplasa o unitate de sarcină pozitivă forță electromotoare (EMF), acționând într-un circuit sau pe o secțiune a unui circuit. EMF este indicată. Matematic, scriem definiția EMF ca:

unde A este munca efectuată de forțele externe, q este sarcina asupra căreia este efectuată munca.

Forța electromotoare a sursei este numeric egală cu diferența de potențial de la capetele elementului dacă acesta este deschis, ceea ce face posibilă măsurarea EMF prin tensiune.

EMF care acționează într-un circuit închis poate fi definit ca circulația vectorului de tensiune al forțelor externe:

unde este intensitatea câmpului forțelor externe. Dacă intensitatea câmpului forțelor externe nu este zero doar într-o parte a circuitului, de exemplu, pe segmentul 1-2, atunci integrarea în expresia (2) poate fi efectuată numai în această secțiune. În consecință, EMF care acționează asupra secțiunii circuitului 1-2 este definită ca:

Formula (2) oferă cea mai generală definiție a EMF, care poate fi utilizată în orice caz.

Legea lui Ohm pentru o secțiune arbitrară a unui circuit

Secțiunea lanțului pe care acționează forțele externe se numește eterogen. Îndeplinește următoarea egalitate:

unde U 12 =IR 21 – căderea de tensiune (sau tensiune) în secțiunea circuitului 1-2 (I-curent);

– diferența de potențial dintre capetele secțiunii;

– forța electromotoare conținută într-o secțiune a circuitului.

egală cu suma algebrică a emf a tuturor surselor care sunt situate într-o zonă dată.

Trebuie luat în considerare faptul că EMF poate fi pozitivă și negativă. EMF se numește pozitiv dacă crește potențialul în direcția curentului (curentul trece de la minus la plus al sursei).

Unități de măsură

Dimensiunea CEM coincide cu dimensiunea potențialului. Unitatea de măsură de bază a EMF în sistemul SI este: =V Exemple de rezolvare a problemelor

Exemplu Exercita.

Forța electromotoare a elementului este de 10 V. Se creează un curent în circuit egal cu 0,4 A. Care este munca efectuată de forțele externe în 1 minut?

Soluţie.

Ca bază pentru rezolvarea problemei, folosim formula pentru calcularea EMF:

Încărcarea care trece prin circuitul în cauză în 1 minut. poate fi găsit ca: Exprimăm munca din (1.1), utilizăm (1.2) pentru a calcula taxa, obținem:

Unități de măsură

Dimensiunea CEM coincide cu dimensiunea potențialului. Unitatea de măsură de bază a EMF în sistemul SI este: =V Să convertim timpul dat în condițiile problemei în secunde (min=60 s) și să efectuăm calculele:

Răspuns. A=240 J Un disc metalic cu raza a se rotește cu o viteză unghiulară și este conectat la un circuit electric folosind contacte glisante care ating axa discului și circumferința acestuia (Fig. 1). Care va fi FEM care apare între axa discului și marginea sa exterioară? Ce s-a întâmplat EMF (forța electromotoare) în fizică? Nu toată lumea înțelege curentul electric. La fel ca distanța cosmică, doar chiar sub nasul tău. În general, nici măcar oamenii de știință nu o înțeleg pe deplin. Destul de amintit.

Nikola Tesla

A=240 J cu celebrele sale experimente, cu secole înaintea timpului lor și chiar și astăzi rămânând într-o aură de mister. Astăzi nu rezolvăm mari mistere, dar încercăm să ne dăm seama ce este EMF în fizică Definiția EMF în fizică

– forta electromotoare. Notat prin scrisoare- mărime fizică scalară care caracterizează munca forțelor externe ( forţe de origine neelectrică), care funcționează în circuite electrice de curent alternativ și continuu.

A=240 J, precum și Voltaj e, măsurată în volți. Cu toate acestea, EMF și tensiunea sunt fenomene diferite.

Voltaj(între punctele A și B) – o mărime fizică egală cu munca câmpului electric efectiv efectuat la transferul unei sarcini de test unitar dintr-un punct în altul.

Explicăm esența EMF „pe degete”

Pentru a înțelege ce este ce, putem da un exemplu-analogie. Să ne imaginăm că avem un turn de apă plin complet cu apă. Să comparăm acest turn cu o baterie.

Apa exercită presiune maximă pe fundul turnului atunci când turnul este complet umplut. În consecință, cu cât este mai puțină apă în turn, cu atât presiunea și presiunea apei care curge de la robinet sunt mai slabe. Dacă deschideți robinetul, apa va curge treptat, mai întâi sub presiune puternică, apoi din ce în ce mai încet până când presiunea va slăbi complet. Aici, tensiunea este presiunea pe care apa o exercită pe fund. Să luăm partea de jos a turnului ca nivel de tensiune zero.

La fel e si cu bateria. În primul rând, conectăm sursa noastră de curent (bateria) la circuit, închizând-o. Să fie un ceas sau o lanternă. Atâta timp cât nivelul de tensiune este suficient și bateria nu este descărcată, lanterna strălucește puternic, apoi se stinge treptat până se stinge complet.

Dar cum să vă asigurați că presiunea nu se usucă? Cu alte cuvinte, cum să mențineți un nivel constant al apei în turn și o diferență constantă de potențial la polii sursei de curent. Urmând exemplul turnului, EMF este reprezentat ca o pompă care asigură afluxul de apă nouă în turn.

Natura EMF

Motivul apariției EMF în diferite surse de curent este diferit. Pe baza naturii apariției, se disting următoarele tipuri:

• EMF chimică. Apare în baterii și acumulatori din cauza reacțiilor chimice.
• Thermo EMF. Apare atunci când sunt conectate contacte ale conductorilor diferiți situati la temperaturi diferite.
• FEM de inducție. Apare într-un generator atunci când un conductor rotativ este plasat într-un câmp magnetic. O fem va fi indusă într-un conductor atunci când conductorul traversează liniile de forță ale unui câmp magnetic constant sau când câmpul magnetic își schimbă magnitudinea.
• EMF fotoelectrică. Apariția acestui EMF este facilitată de fenomenul de efect fotoelectric extern sau intern.
• EMF piezoelectrică. EMF apare atunci când substanțele sunt întinse sau comprimate.

Dragi prieteni, astăzi ne-am uitat la subiectul „EMF pentru manechine”. După cum putem vedea, EMF - forță neelectrică, care menține fluxul de curent electric în circuit. Dacă doriți să știți cum se rezolvă problemele cu EMF, vă recomandăm să contactați către autorii noștri– specialiști atent selecționați și verificați care vor explica rapid și clar procesul de rezolvare a oricărei probleme tematice. Și prin tradiție, la final vă invităm să urmăriți un videoclip de antrenament. Vizionare plăcută și succes la studii!

Conţinut:

Când s-a născut conceptul de „electron”, oamenii l-au asociat imediat cu un anumit loc de muncă. Electron este cuvântul grecesc pentru chihlimbar. Faptul că grecii, pentru a găsi această piatră inutilă, în general, magică, au trebuit să călătorească destul de departe spre nord - astfel de eforturi, în general, nu contează aici. Dar a meritat să faci ceva lucru - frecând pietricica cu mâinile pe o cârpă uscată de lână - și a dobândit noi proprietăți. Toată lumea știa asta. Frecați-l exact așa, de dragul interesului pur dezinteresat, pentru a observa cum micile resturi încep acum să fie atrase de „electron”: bucăți de praf, fire de păr, fire, pene. Mai târziu, când a apărut o întreagă clasă de fenomene, unite ulterior sub conceptul de „electricitate”, munca care trebuie cheltuită în mod necesar nu a dat oamenilor pace. Deoarece trebuie să cheltuiți bani pentru a obține un truc cu bucăți de praf, înseamnă că ar fi bine să salvați cumva această muncă, să o acumulați și apoi să o recuperați.

Astfel, din trucuri din ce în ce mai complexe cu diferite materiale și raționament filozofic, am învățat să colectăm această putere magică într-un borcan. Și apoi faceți astfel încât să fie eliberat treptat din borcan, provocând acțiuni care pot fi deja simțite și foarte curând măsurate. Și l-au măsurat atât de ingenios, având doar câteva bile sau bețe de mătase și balanțe de torsiune cu arc, încât și acum folosim destul de serios aceleași formule pentru calcularea circuitelor electrice care au pătruns acum întreaga planetă, infinit de complexe în comparație cu acele prime dispozitive. .

Iar numele acestui geniu puternic care stă într-un borcan încă mai conține încântarea descoperitorilor de multă vreme: „Forța electromotoare”. Dar această forță nu este deloc electrică. Dimpotrivă, este o forță străină, teribilă, care forțează sarcinile electrice să se miște „împotriva voinței lor”, adică depășind repulsia reciprocă și să se adune undeva pe o parte. Aceasta are ca rezultat o diferență de potențial. Poate fi folosit prin eliberarea taxelor într-un mod diferit. Acolo unde nu sunt „păziți” de acest EMF teribil. Și astfel forțați-i să facă ceva de lucru.

Principiul de funcționare

EMF este o forță de o natură foarte diferită, deși se măsoară în volți:

• Chimic. Apare în urma proceselor de înlocuire chimică a ionilor unor metale cu ionii altora (mai activi). Ca rezultat, se formează electroni suplimentari, încercând să „scape” la marginea celui mai apropiat conductor. Acest proces poate fi reversibil sau ireversibil. Reversibilă - în baterii. Ele pot fi încărcate prin întoarcerea ionilor încărcați înapoi în soluție, determinând-o să devină mai acidă, de exemplu (în bateriile acide). Aciditatea electrolitului este cauza emf-ului bateriei, acesta funcționează continuu până când soluția devine complet neutră din punct de vedere chimic.

• Magnetodinamic. Apare atunci când un conductor, orientat într-un fel în spațiu, este expus unui câmp magnetic în schimbare. Fie de la un magnet care se mișcă în raport cu un conductor, fie de la mișcarea unui conductor în raport cu un câmp magnetic. În acest caz, electronii tind să se miște și în conductor, ceea ce le permite să fie capturați și plasați pe contactele de ieșire ale dispozitivului, creând o diferență de potențial.

• Electromagnetic. Un câmp magnetic alternativ este creat într-un material magnetic printr-o tensiune electrică alternativă în înfășurarea primară. În înfășurarea secundară, are loc mișcarea electronilor și, prin urmare, o tensiune proporțională cu tensiunea din înfășurarea primară. Transformatoarele pot fi desemnate prin simbolul EMF în circuite echivalente echivalente.

• Fotovoltaic. Lumina care lovește unele materiale conductoare poate elimina electronii, adică îi poate elibera. Se creează un exces al acestor particule, determinând ca cele în exces să fie împinse spre unul dintre electrozi (anod). Apare tensiune, care poate genera curent electric. Astfel de dispozitive se numesc fotocelule. Inițial, au fost inventate fotocelulele cu vid, în care electrozii erau instalați într-un balon cu vid. În acest caz, electronii au fost împinși în afara plăcii de metal (catod) și au fost capturați de un alt electrod (anod). Astfel de fotocelule și-au găsit aplicație în senzorii de lumină. Odată cu inventarea unor fotocelule semiconductoare mai practice, a devenit posibilă crearea de baterii puternice din acestea pentru a genera o tensiune semnificativă prin însumarea forței electromotoare a fiecăruia dintre ele.

• Termoelectric. Dacă două metale sau semiconductori diferite sunt lipite într-un punct și apoi căldura este livrată în acest punct, de exemplu, o lumânare, atunci la capetele opuse ale perechii de metale (termocupluri) apare o diferență în densitățile gazului de electroni. . Această diferență se poate acumula dacă termocuplurile sunt conectate în serie, similar conexiunii celulelor galvanice într-o baterie sau a celulelor solare individuale într-un panou solar. ThermoEMF este utilizat în senzori de temperatură foarte precisi. Cu acest fenomen sunt asociate mai multe efecte (Peltier, Thomson, Seebeck), care sunt studiate cu succes. Este un fapt că căldura poate fi transformată direct în forță electromotoare, adică în tensiune.

• Electrostatic. Astfel de surse de EMF au fost inventate aproape simultan cu elemente galvanice sau chiar mai devreme (dacă luăm în considerare frecarea chihlimbarului cu mătase ca o producție normală de EMF). Ele mai sunt numite și mașini electroforice sau, după numele inventatorului, generatoare Wimshurst. Deși Wimshurst a creat o soluție tehnică clară care permite ca potențialul îndepărtat să fie acumulat într-un borcan Leyden - primul condensator (și de capacitate bună). Prima mașină de electrofor poate fi considerată o minge uriașă de sulf montată pe o axă - aparatul burgmasterului de Magdeburg Otto von Guericke la mijlocul secolului al XVII-lea. Principiul de funcționare este frecarea materialelor care sunt ușor electrificate prin frecare. Adevărat, progresul lui von Guericke poate fi numit, după cum se spune, mânat de lene, atunci când nu există dorința de a freca chihlimbarul sau orice altceva cu mâna. Deși, desigur, acest politician iscoditor avea o mulțime de imaginație și activitate. Să ne amintim cel puțin cunoscutul său experiment cu două șiruri de măgari (sau catâri) rupând o minge fără aer cu lanțuri în două emisfere.

Electrificarea, așa cum sa presupus inițial, are loc tocmai din „frecare”, adică prin frecarea chihlimbarului cu o cârpă, „smulgem” electroni de pe suprafața sa. Cu toate acestea, cercetările au arătat că nu este atât de simplu. Se pare că există întotdeauna nereguli de încărcare pe suprafața dielectricilor, iar ionii din aer sunt atrași de aceste nereguli. Se formează un strat de aer-ionic, pe care îl deterioram prin frecarea suprafeței.

• Termionic. Când metalele sunt încălzite, electronii sunt îndepărtați de pe suprafața lor. În vid, ajung la un alt electrod și induc acolo un potențial negativ. Aceasta este o direcție foarte promițătoare în acest moment. Figura prezintă o schemă pentru protejarea unei aeronave hipersonice de supraîncălzirea unor părți ale corpului printr-un contra-flux de aer și electronii termoionici emiși de catod (care este răcit în același timp - acțiunea simultană a Peltier și/sau Thomson efecte) ajung la anod, inducând o sarcină asupra acestuia. Încărcarea, sau mai degrabă tensiunea, care este egală cu EMF rezultată, poate fi utilizată în circuitul de consum din interiorul dispozitivului.

1 - catod, 2 - anod, 3, 4 - robinete catod și anod, 5 - consumator

• Piezoelectric. Mulți dielectrici cristalini, atunci când experimentează presiune mecanică asupra lor în orice direcție, reacționează la aceasta prin inducerea unei diferențe de potențial între suprafețele lor. Această diferență depinde de presiunea aplicată, deci este deja folosită la senzorii de presiune. Brichetele piezoelectrice pentru sobe pe gaz nu necesită nicio altă sursă de energie - doar apăsând un buton cu degetul. Sunt cunoscute încercări de a crea un sistem de aprindere piezoelectric în mașini bazat pe piezoceramică, care primește presiune de la un sistem de came conectat la arborele principal al motorului. Piezoelectricele „bune” - în care proporționalitatea EMF cu presiunea este foarte precisă - sunt foarte dure (de exemplu, cuarț) și aproape nu sunt deformate sub presiune mecanică.

• Cu toate acestea, expunerea prelungită la presiune provoacă distrugerea acestora. În natură, straturile groase de roci sunt, de asemenea, piezoelectrice, presiunile straturilor pământului induc sarcini enorme pe suprafețele lor, ceea ce dă naștere la furtuni titane și furtuni în adâncurile pământului. Cu toate acestea, nu totul este atât de înfricoșător, piezoelectricele elastice au fost deja dezvoltate și chiar și producția de produse bazate pe acestea (și pe bază de nanotehnologie) a început deja.

Este clar că unitatea de măsură a EMF este unitatea de tensiune electrică. Deoarece cele mai diverse mecanisme care creează forța electromotoare a unei surse de curent, toate își transformă tipurile de energie în mișcare și acumulare de electroni, iar acest lucru duce în cele din urmă la apariția unei astfel de tensiuni.

Curent provenit din EMF

Forța electromotoare a unei surse de curent este o forță motrice, deoarece electronii din aceasta încep să se miște dacă circuitul electric este închis. Ei sunt forțați să facă acest lucru de către EMF, folosind „jumătatea” neelectrică a naturii, care nu depinde, până la urmă, de jumătatea asociată cu electronii. Deoarece se crede că curentul din circuit curge de la plus la minus (aceasta determinare a direcției a fost făcută înainte ca toată lumea să știe că electronul este o particulă negativă), atunci în interiorul dispozitivului cu EMF curentul face o mișcare finală - de la minus la plus. Și desenează întotdeauna la semnul EMF, unde săgeata este îndreptată - +. Numai în ambele cazuri - atât în ​​interiorul EMF al sursei de curent, cât și în exterior, adică în circuitul consumator - avem de-a face cu curentul electric cu toate proprietățile sale obligatorii. În conductori, curentul întâmpină rezistență. Și aici, în prima jumătate a ciclului, avem rezistența de sarcină, în a doua, internă, avem rezistența sursă sau rezistența internă.

Procesul intern nu funcționează instantaneu (deși foarte repede), ci cu o anumită intensitate. Funcționează pentru a furniza taxe de la minus la plus, iar acest lucru întâmpină și rezistență...

Rezistența este de două feluri.

1. Rezistența internă lucrează împotriva forțelor care separă sarcinile, are o natură „apropiată” de aceste forțe de separare. Cel puțin funcționează cu ei într-un singur mecanism. De exemplu, un acid care preia oxigenul din dioxidul de plumb și îl înlocuiește cu ioni de SO 4 - are cu siguranță o anumită rezistență chimică. Și tocmai acesta este ceea ce se manifestă ca lucrul rezistenței interne a bateriei.
2. Când jumătatea exterioară (de ieșire) a circuitului nu este închisă, apariția a tot mai mulți electroni la unul dintre poli (și scăderea lor față de celălalt pol) determină o creștere a intensității câmpului electrostatic la polii bateriei și o creștere. în repulsie între electroni. Acest lucru permite sistemului să „nu înnebunească” și să se oprească la o anumită stare de saturație. Nu mai sunt acceptați electroni din baterie spre exterior. Și aceasta arată în exterior ca prezența unei tensiuni electrice constante între bornele bateriei, care se numește U xx, tensiunea în circuit deschis. Și este numeric egal cu EMF - forță electromotoare. Prin urmare, unitatea de măsură pentru EMF este voltul (în sistemul SI).

Dar dacă conectați doar o sarcină de conductori cu rezistență diferită de zero la baterie, atunci va curge imediat un curent, a cărui putere este determinată de legea lui Ohm.

S-ar părea că este posibil să se măsoare rezistența internă a sursei EMF. Merită să conectați un ampermetru la circuit și să scurtați (scurtați) rezistența externă. Cu toate acestea, rezistența internă este atât de scăzută încât bateria va începe să se descarce catastrofal, generând cantități enorme de căldură, atât pe conductorii externi scurtcircuitați, cât și în spațiul intern al sursei.

Cu toate acestea, puteți face altfel:

1. Măsura E (rețineți, tensiunea în circuit deschis, unitatea de măsură - volt).
2. Conectați un rezistor ca sarcină și măsurați căderea de tensiune pe el. Calculați curentul I 1.
3. Puteți calcula valoarea rezistenței interne a sursei EMF folosind expresia pentru r

De obicei, capacitatea unei baterii de a produce energie electrică este măsurată prin „capacitatea” sa de energie în amperi oră. Dar ar fi interesant de văzut ce curent maxim poate produce. În ciuda faptului că, probabil, forța electromotoare a sursei de curent o va face să explodeze. Deoarece ideea de a aranja un scurtcircuit pe acesta nu părea foarte tentantă, putem calcula această valoare pur teoretic. FEM este egală cu U xx. Trebuie doar să desenați un grafic al căderii de tensiune pe rezistor față de curent (și, prin urmare, rezistența de sarcină) până la punctul în care rezistența de sarcină este zero. Acesta este punctul euscurt-circuit, intersecția liniei roșii cu linia de coordonate eu , în care tensiunea U a devenit zero și întreaga tensiune E a sursei va scădea peste rezistența internă.

Adesea, conceptele de bază aparent simple nu pot fi întotdeauna înțelese fără utilizarea de exemple și analogii. Ce este forța electromotoare și cum funcționează poate fi imaginat doar luând în considerare numeroasele ei manifestări. Dar merită să luați în considerare definiția EMF, deoarece este dată de surse reputate folosind cuvinte academice inteligente - și să începeți totul de la capăt: forța electromotoare a unei surse de curent. Sau scrie-l pe perete cu litere aurii:

Și care este relația sa cu alți parametrii. Să remarcăm imediat că, în ciuda faptului că în viața de zi cu zi cu toții folosim cu succes aparatele electrice, multe legi au fost derivate empiric și luate ca o axiomă. Acesta este unul dintre motivele pentru care definițiile devin inutil de complexe. Din păcate, chiar și forța electromotoare, această bază a ingineriei electrice, este acoperită în așa fel încât este destul de dificil pentru o persoană care nu este familiarizată cu electricitatea să înțeleagă ceva. Să explicăm această problemă folosind termeni și exemple pe care toată lumea le poate înțelege.

Într-un conductor se numește „curent electric”. După cum știți, toate obiectele din lumea noastră materială constau din atomi. Pentru a simplifica înțelegerea, putem presupune că fiecare atom este reprezentat ca unul mai mic de milioane de ori, nucleul este situat în centru, iar electronii se rotesc pe orbite circulare la distanțe diferite de acesta.

Printr-o influență externă, se creează o forță electromotoare într-un conductor care formează un circuit închis, iar impactul „elimină” electronii de valență din orbitele lor în atomi, astfel încât se formează electroni liberi și ioni încărcați pozitiv.

Forța electromotoare este necesară pentru a „forța” sarcinile să se miște constant de-a lungul elementelor conductorului și circuitului într-o anumită direcție. Fără el, curentul dispare aproape instantaneu. Compararea energiei electrice cu apa vă va ajuta să înțelegeți ce este forța electromotoare. Secțiunea dreaptă a țevii este un conductor. Pe ambele părți se deschide în corpuri de apă. Atâta timp cât nivelurile apei din rezervoare sunt egale și nu există nicio pantă, lichidul din conductă este nemișcat.

Evident, îl puteți face să se miște în trei moduri: creați o diferență de înălțime (prin panta sau cantitatea de lichid din rezervoare) sau prin pompare forțată. Un punct important: dacă vorbim despre diferențe de înălțime, înseamnă tensiune. Pentru EMF, mișcarea este „forțată”, deoarece forțele externe care exercită influența sunt nepotențiale.

Orice sursă de curent electric are un EMF - însăși forța care menține mișcarea particulelor încărcate (în analogia de mai sus, face ca apa să se miște). Măsurată în volți. Numele vorbește de la sine: EMF caracterizează munca forțelor externe aplicate unei secțiuni a circuitului, deplasând fiecare unitate de sarcină de la un pol la altul (între terminale). Este numeric egal cu raportul dintre munca forțelor externe aplicate și mărimea sarcinii transferate.

Indirect, necesitatea unei surse de CEM poate fi derivată din legea conservării energiei și proprietățile unui conductor purtător de curent. Într-un circuit închis, munca efectuată de câmp pentru a muta sarcinile este zero. Cu toate acestea, conductorul se încălzește (și cu cât trece mai mult curent prin el pe unitatea de timp). Concluzie: trebuie să existe o cotă de energie terță parte în circuit. Forțele externe indicate sunt câmpul magnetic din generatoare, care excită constant electronii; energia reacțiilor chimice în baterii.

Forța electromotoare a inducției a fost descoperită pentru prima dată experimental în 1831. El a descoperit că un curent electric ia naștere într-un conductor străpuns de linii de intensitate ale unui câmp magnetic în schimbare. Influența câmpului conferă electronilor exteriori din atomi energia care le lipsește, drept urmare ei se desprind și încep să se miște (apare curentul). Desigur, nu există mișcare directă a particulelor (cum să nu ne amintim de relativitatea axiomelor ingineriei electrice). Mai degrabă, există un schimb de particule între atomii din apropiere.

Forța electromotoare dezvoltată este o caracteristică internă a oricărei surse de energie.

În material vom înțelege conceptul de fem indusă în situațiile de apariție a acestuia. Vom considera, de asemenea, inductanța ca un parametru cheie pentru apariția fluxului magnetic atunci când un câmp electric apare într-un conductor.

Inducția electromagnetică este generarea de curent electric prin câmpuri magnetice care se modifică în timp. Datorită descoperirilor lui Faraday și Lenz, modelele au fost formulate în legi, care au introdus simetria în înțelegerea fluxurilor electromagnetice. Teoria lui Maxwell a reunit cunoștințele despre curentul electric și fluxurile magnetice. Datorită descoperirii lui Hertz, omenirea a învățat despre telecomunicații.

În jurul unui conductor care transportă curent electric apare un câmp electromagnetic, dar în paralel are loc și fenomenul opus - inducția electromagnetică. Să luăm în considerare fluxul magnetic folosind un exemplu: dacă un cadru format dintr-un conductor este plasat într-un câmp electric cu inducție și mutat de sus în jos de-a lungul liniilor de forță magnetice sau perpendiculare la stânga și la dreapta pe acestea, atunci fluxul magnetic care trece prin cadru va fi o valoare constantă.

Când cadrul se rotește în jurul axei sale, după un timp fluxul magnetic se va schimba cu o anumită cantitate. Ca urmare, în cadru apare o fem indusă și apare un curent electric, care se numește inducție.

fem indus

Să înțelegem în detaliu care este conceptul de fem indusă. Când un conductor este plasat într-un câmp magnetic și se mișcă odată cu intersecția liniilor de câmp, în conductor apare o forță electromotoare numită fem indusă. De asemenea, apare dacă conductorul rămâne staționar, iar câmpul magnetic se mișcă și intersectează conductorul cu linii de forță.

Când conductorul unde apare EMF este închis de circuitul extern, datorită prezenței acestui EMF, un curent indus începe să circule prin circuit. Inducția electromagnetică implică fenomenul de inducere a unui EMF într-un conductor în momentul în care acesta este traversat de liniile câmpului magnetic.

Inducția electromagnetică este procesul invers de transformare a energiei mecanice în curent electric. Acest concept și legile sale sunt utilizate pe scară largă în inginerie electrică, majoritatea mașinilor electrice se bazează pe acest fenomen.

Legile lui Faraday și Lenz

Legile lui Faraday și Lenz reflectă tiparele de apariție a inducției electromagnetice.

Faraday a descoperit că efectele magnetice apar ca urmare a modificărilor fluxului magnetic în timp. În momentul în care un curent magnetic alternativ traversează un conductor, în acesta ia naștere o forță electromotoare, care duce la generarea unui curent electric. Atât un magnet permanent, cât și un electromagnet pot genera curent.

Omul de știință a stabilit că intensitatea curentului crește odată cu o schimbare rapidă a numărului de linii de forță care intersectează circuitul. Adică, EMF de inducție electromagnetică este direct dependentă de viteza fluxului magnetic.

Conform legii lui Faraday, formulele de fem indus sunt definite după cum urmează:

Semnul minus indică relația dintre polaritatea emf indusă, direcția fluxului și viteza de schimbare.

Conform legii lui Lenz, forța electromotoare poate fi caracterizată în funcție de direcția acesteia. Orice modificare a fluxului magnetic în bobină duce la apariția unei feme induse, iar cu o schimbare rapidă se observă o femură în creștere.

Dacă o bobină, unde există o fem indusă, are un scurtcircuit la un circuit extern, atunci un curent indus trece prin ea, în urma căruia apare un câmp magnetic în jurul conductorului și bobina capătă proprietățile unui solenoid. Ca rezultat, în jurul bobinei se formează propriul câmp magnetic.

E.H. Lenz a stabilit un model conform căruia se determină direcția curentului indus în bobină și FEM indusă. Legea prevede că f.e.m. indusă într-o bobină, atunci când fluxul magnetic se modifică, formează un curent în bobină în direcția în care un anumit flux magnetic al bobinei face posibilă evitarea modificărilor fluxului magnetic străin.

Legea lui Lenz se aplică tuturor situațiilor de inducție a curentului electric în conductori, indiferent de configurația acestora și de modul de modificare a câmpului magnetic extern.

Mișcarea unui fir într-un câmp magnetic

Valoarea emf indusă se determină în funcţie de lungimea conductorului străbătut de liniile de câmp. Cu un număr mai mare de linii electrice, mărimea FEM indusă crește. Pe măsură ce câmpul magnetic și inducția cresc, în conductor apare o valoare mai mare a EMF. Astfel, valoarea FEM indusă într-un conductor care se mișcă într-un câmp magnetic este direct dependentă de inducerea câmpului magnetic, de lungimea conductorului și de viteza de mișcare a acestuia.

Această dependență este reflectată în formula E = Blv, unde E este emf indusă; B este valoarea inducției magnetice; I este lungimea conductorului; v este viteza mișcării sale.

Rețineți că într-un conductor care se mișcă într-un câmp magnetic, fem indusă apare numai atunci când traversează liniile câmpului magnetic. Dacă conductorul se mișcă de-a lungul liniilor de forță, atunci nu este indusă fem. Din acest motiv, formula se aplică numai în cazurile în care mișcarea conductorului este direcționată perpendicular pe liniile de forță.

Direcția emf indusă și a curentului electric în conductor este determinată de direcția de mișcare a conductorului însuși. Pentru a identifica direcția, a fost dezvoltată o regulă pentru mâna dreaptă. Dacă țineți palma mâinii drepte în așa fel încât liniile câmpului să intre în direcția ei, iar degetul mare indică direcția de mișcare a conductorului, atunci celelalte patru degete indică direcția emf indusă și direcția de curentul electric din conductor.

Tambur rotativ

Funcționarea unui generator de curent electric se bazează pe rotirea unei bobine într-un flux magnetic, unde există un anumit număr de spire. EMF este indusă într-un circuit electric ori de câte ori un flux magnetic îl traversează, pe baza formulei fluxului magnetic Ф = B x S x cos α (inducția magnetică înmulțită cu aria suprafeței prin care trece fluxul magnetic și cosinusul unghiului format de vectorul de direcție și perpendicular pe liniile plane).

Conform formulei, F este afectată de schimbări în situații:

• când se modifică fluxul magnetic, vectorul direcției se schimbă;
• zona cuprinsă în contur se modifică;
• unghiul se schimba.

Este permisă inducerea unui EMF cu un magnet staționar sau un curent constant, dar pur și simplu prin rotirea bobinei în jurul axei sale în câmpul magnetic. În acest caz, fluxul magnetic se modifică atunci când valoarea unghiului se modifică. În timpul rotației, bobina traversează liniile de flux magnetic, rezultând o fem. Cu rotație uniformă, are loc o schimbare periodică a fluxului magnetic. De asemenea, numărul de linii de câmp care se intersectează în fiecare secundă devine egal cu valorile la intervale de timp egale.

În practică, la generatoarele de curent alternativ, bobina rămâne staționară, iar electromagnetul se rotește în jurul ei.

EMF autoindusă

Când un curent electric alternativ trece prin bobină, se generează un câmp magnetic alternativ, care este caracterizat printr-un flux magnetic în schimbare care induce o fem. Acest fenomen se numește auto-inducție.

Datorită faptului că fluxul magnetic este proporțional cu intensitatea curentului electric, atunci formula pentru FEM de auto-inducție arată astfel:

Ф = L x I, unde L este inductanța, care se măsoară în H. Valoarea sa este determinată de numărul de spire pe unitate de lungime și de dimensiunea secțiunii lor transversale.

Inducerea reciprocă

Când două bobine sunt așezate una lângă alta, se observă în ele o f.em. inductivă reciprocă, care este determinată de configurația celor două circuite și de orientarea lor reciprocă. Pe măsură ce separarea circuitelor crește, valoarea inductanței reciproce scade, deoarece există o scădere a fluxului magnetic total pentru cele două bobine.

Să luăm în considerare în detaliu procesul de inducție reciprocă. Există două bobine, un curent I1 curge de-a lungul firului uneia cu N1 spire, care creează un flux magnetic și trece prin a doua bobină cu N2 număr de spire.

Valoarea inductanței reciproce a celei de-a doua bobine în raport cu prima:

M21 = (N2 x F21)/I1.

Valoarea fluxului magnetic:

F21 = (M21/N2) x I1.

FEM indusă se calculează prin formula:

E2 = - N2 x dФ21/dt = - M21x dI1/dt.

În prima bobină valoarea emf indusă este:

E1 = - M12 x dI2/dt.

Este important de menționat că forța electromotoare generată de inducția reciprocă într-una dintre bobine este în orice caz direct proporțională cu modificarea curentului electric din cealaltă bobină.

Atunci inductanța reciprocă este considerată egală:

M12 = M21 = M.

Ca o consecință, E1 = - M x dI2/dt și E2 = M x dI1/dt. M = K √ (L1 x L2), unde K este coeficientul de cuplare dintre două valori ale inductivității.

Inducția reciprocă este utilizată pe scară largă în transformatoare, care fac posibilă modificarea valorilor curentului electric alternativ. Dispozitivul constă dintr-o pereche de bobine care sunt înfășurate pe un miez comun. Curentul din prima bobină formează un flux magnetic schimbător în circuitul magnetic și un curent în a doua bobină. Cu mai puține spire în prima bobină decât în ​​a doua, tensiunea crește și, în consecință, cu un număr mai mare de spire în prima bobină, tensiunea scade.

Pe lângă generarea și transformarea energiei electrice, fenomenul inducției magnetice este utilizat și în alte dispozitive. De exemplu, în trenurile cu levitație magnetică se deplasează fără contact direct cu curentul din șine, dar cu câțiva centimetri mai sus din cauza repulsiei electromagnetice.