Potencjał pola elektrostatycznego lub wir. Pole elektryczne wirowe - Hipermarket wiedzy. Funkcje dydaktyczne komputera

Zgodnie z prawem Faradaya dla indukcji elektromagnetycznej w obwodzie poruszającym się w polu magnetycznym, pole elektromagnetyczne powstaje proporcjonalnie do szybkości zmiany strumienia magnetycznego w tym obwodzie

Eksperymenty Faradaya wykazały również, że pole elektromagnetyczne indukcji elektromagnetycznej, określone wyrażeniem (67), występuje również, gdy obwód stały przenika przez zmieniające się pole magnetyczne (ryc. 48).

Jeżeli w obwodzie ruchomym przyczyną EMF jest siła Lorentza, to mechanizm jej występowania w obwodzie stałym (przewodniku) staje się niejasny. Oczywiście siła zewnętrzna rozdzielająca ładunki w obwodzie nie może być pochodzenia elektrostatycznego, ponieważ siły kulombowskie nie prowadzą do zwiększenia różnicy potencjałów, do jej wyrównania.

Rysunek 48

Zgodnie z ogólną definicją źródła pola elektromagnetycznego ε , (68)

gdzie jest siła pola sił zewnętrznych.

Z drugiej strony . (69)

Symbol pochodnej cząstkowej w wyrażeniu (69) wskazuje, że w ogólnym przypadku indukcja pola magnetycznego zależy nie tylko od czasu, ale także od współrzędnych.

Uwzględniając wzory (69) i (68), prawo Faradaya dla indukcji elektromagnetycznej jest przekształcane do postaci . (70)

Zgodnie z otrzymanym wyrażeniem (70) każda zmiana pola magnetycznego przenikającego obwód prowadzi do pojawienia się natężenia pola sił zewnętrznych u. w rezultacie do wystąpienia indukcji elektromagnetycznej w obwodzie EMF. W tym przypadku zmianie pola magnetycznego nie towarzyszą mechaniczne, chemiczne, termiczne i inne zmiany w obwodzie. angielski fizyk J. Maxwell postawił hipotezę, zgodnie z którą siły zewnętrzne rozdzielające ładunki w obwodzie mają charakter elektryczny. Wtedy relację (70) można również zapisać jako . (71)

Zgodnie ze wzorem (71), w zmiennym polu magnetycznym cyrkulacja wektora natężenia pola elektrycznego nie jest równa zeru, czyli pole elektryczne jest wirowe (rysunek 49).

Należy zauważyć, że wirowe pole elektryczne powstaje w dowolnej przestrzeni, to znaczy, że do jego istnienia nie jest konieczna obecność obwodu przewodzącego. Ale jeśli to pole powstało w ośrodku przewodzącym, prowadzi to do pojawienia się prądów wirowych lub prądów Foucaulta (ryc. 50).

W przewodnikach o niskiej rezystywności prądy te mogą osiągać duże wartości. W związku z tym są często wykorzystywane do nagrzewania indukcyjnego części metalowych podczas hartowania, odgazowywania okuć urządzeń elektronicznych itp.

Rysunek 49 Rysunek 50

Podczas pracy maszyn elektrycznych (silniki elektryczne, generatory, transformatory) prądy te prowadzą do niepożądanych strat ciepła w metalowych obwodach magnetycznych. Aby zmniejszyć straty, rdzenie transformatorów, stojanów i wirników maszyn elektrycznych są rekrutowane z cienkich blach ze stali elektrotechnicznej izolowanych od siebie. W innych przypadkach jako obwody magnetyczne stosuje się materiały magnetyczne o wysokiej rezystancji – ferryty.

Koniec pracy -

Ten temat należy do:

pole elektrostatyczne

Fizyczne i Właściwości chemiczne substancje od atomu do żywej komórki są w dużej mierze wyjaśnione przez siły elektryczne elektryczne... elektrostatyczne.. przykład medium e próżnia powietrze nafta woda..

Jeśli potrzebujesz dodatkowych materiałów na ten temat lub nie znalazłeś tego, czego szukałeś, zalecamy skorzystanie z wyszukiwania w naszej bazie prac:

Co zrobimy z otrzymanym materiałem:

Jeśli ten materiał okazał się dla Ciebie przydatny, możesz zapisać go na swojej stronie w sieciach społecznościowych:

ćwierkać

Wszystkie tematy w tej sekcji:

Łańcuchy heterogeniczne
Obwód elektryczny, w którym ciągły przepływ prądu zapewniają siły zewnętrzne, nazywa się n

Pole magnetyczne w próżni
W pobliżu ładunków stacjonarnych powstaje pole elektrostatyczne. Ruch ładunków (przepływ prądu elektrycznego) prowadzi do powstania nowej formy materii - pola magnetycznego. To jest osoba

Obieg wektora indukcji magnetycznej
Analogicznie do elektrostatyki zdefiniowano pojęcie cyrkulacji wektorowej w zamkniętej pętli

Obwód z prądem w jednorodnym polu magnetycznym
Zastosujmy prawo Ampère'a do obwodu prostokątnego z prądem w jednorodnym polu magnetycznym. Krawędzie „a” są poddawane działaniu siły

Obwód z prądem w niejednorodnym polu magnetycznym
Jeśli obwód przewodzący prąd znajduje się w niejednorodnym polu magnetycznym, wówczas na jego różne sekcje działają nierówne siły

Obwód z prądem w promieniowym polu magnetycznym
Ze wzorów (37) i (38) wynika, że ​​w jednorodnym polu magnetycznym moment obrotowy działający na obwód przewodzący prąd jest maksymalny, jeśli

Silniki elektryczne
Z rysunku 23 wynika, że ​​przy wybranej orientacji biegunów magnesu i kierunku prądu w obwodzie moment obrotowy jest skierowany „na nas”, to znaczy ma tendencję do obracania obwodu w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara

Praca pola magnetycznego
Jeśli siła amperowa działająca na przewodnik z polem magnetycznym, w którym płynie prąd, powoduje jego ruch, to

Magnetyzacja substancji
Różne substancje w polu magnetycznym zostają namagnesowane, to znaczy nabierają momentu magnetycznego i same stają się źródłami pól magnetycznych. Wynikowe pole magnetyczne w ośrodku jest sumą pól,

Dia-, para- i ferromagnesy oraz ich zastosowania
Moment magnetyczny atomu obejmuje kilka składowych, gdzie

Diamagnesy
W przypadku niektórych atomów (Cu, Au, Zn itp.) powłoki elektronowe mają taką strukturę, że momenty orbitalne i spinowe są wzajemnie kompensowane i ogólnie moment magnetyczny atomu wynosi n

Paramagnesy
Atomy substancji takich jak Al, Mn, Os itp. mają nieskompensowany całkowity moment orbitalny, to znaczy w przypadku braku pola zewnętrznego mają swoje własne momenty magnetyczne. Termiczny

Ferromagnesy i ich zastosowania
Izolowane są substancje, których przenikalność magnetyczna sięga setek, a nawet milionów jednostek

Indukcja elektromagnetyczna
Sercem nowoczesnej metody wytwarzania energii elektrycznej jest zjawisko fizyczne indukcja elektromagnetyczna, odkryta przez Faradaya w 1831 roku. Współczesna energia jest coraz bardziej

Zjawisko indukcji elektromagnetycznej
Rozważ istotę indukcji elektromagnetycznej i zasady, które prowadzą do tego zjawiska. Załóżmy, że przewodnik 1-2 porusza się w polu magnetycznym z prędkością

Generator elektryczny
Prawo Faradaya odnosi się do podstawowych praw natury i jest konsekwencją prawa zachowania energii. Jest szeroko stosowany w inżynierii, w szczególności w generatorach. Główna godzina

samoindukcja
Zjawisko indukcji elektromagnetycznej obserwuje się we wszystkich przypadkach, gdy zmienia się strumień magnetyczny przenikający obwód. W szczególności strumień magnetyczny jest również tworzony przez prąd płynący w samym obwodzie. Poeto

Procesy przejściowe w obwodach z indukcyjnością
Rozważ obwód zawierający indukcyjność i czynną rezystancję (Rysunek 44). W stanie początkowym klucz S znajdował się w pozycji neutralnej. Niech w czasie t

Wzajemna indukcja. Transformator
Zjawisko wzajemnej indukcji jest szczególnym przypadkiem zjawiska indukcji elektromagnetycznej. Postawmy dwa konie

równania Maxwella
Do połowy XIX wieku zgromadzono dużą liczbę eksperymentalnych faktów dotyczących elektryczności i magnetyzmu. Nieoceniony wkład w to wniósł M. Faraday, którego ukoronowaniem sukcesu

Energia pola magnetycznego
Obliczmy energię pola magnetycznego. Aby to zrobić, obliczamy pracę źródła prądu w obwodzie z indukcyjnością. Gdy prąd jest ustalony w takim obwodzie zgodnie z prawem Ohma, mamy iR = ε

Prąd polaryzacji
Zgodnie z bezpośrednią hipotezą J. Maxwella zmieniające się pole magnetyczne generuje zmienne pole elektryczne. Hipoteza odwrotna Maxwella mówi, że zmienna electric

równania Maxwella
W latach 1860-65. Maxwell rozwinął teorię jedności pole elektromagnetyczne, który jest opisany układem równań Maxwella

Indukcja pola elektromagnetycznego występuje albo w nieruchomym przewodniku umieszczonym w polu zmiennym w czasie, albo w przewodniku poruszającym się w polu magnetycznym, które może nie zmieniać się w czasie. Wartość pola elektromagnetycznego w obu przypadkach jest określona przez prawo (12.2), ale pochodzenie pola elektromagnetycznego jest inne. Rozważ najpierw pierwszy przypadek.

Miejmy przed sobą transformator – dwie cewki nałożone na rdzeń. Włączając uzwojenie pierwotne do sieci, uzyskamy prąd w uzwojeniu wtórnym (ryc. 246), jeśli jest ono zamknięte. Elektrony w przewodach wtórnych będą się poruszać. Ale jakie siły sprawiają, że się poruszają? Samo pole magnetyczne penetrujące cewkę nie może tego zrobić, ponieważ pole magnetyczne działa wyłącznie na poruszające się ładunki (tym różni się od elektrycznego), a przewodnik z elektronami jest nieruchomy.

Oprócz pola magnetycznego na ładunki wpływa również pole elektryczne. Co więcej, może również działać na opłatach stacjonarnych. Wszakże pole, które omówiliśmy do tej pory (pole elektrostatyczne i stacjonarne) jest tworzone przez ładunki elektryczne, a prąd indukcyjny pojawia się pod działaniem zmiennego pola magnetycznego. Sugeruje to, że elektrony w nieruchomym przewodniku są wprawiane w ruch przez pole elektryczne, a pole to jest bezpośrednio generowane przez zmienne pole magnetyczne. W ten sposób potwierdza się nowa podstawowa właściwość pola: zmieniając się w czasie, pole magnetyczne wytwarza pole elektryczne. Do takiego wniosku po raz pierwszy doszedł Maxwell.

Teraz w nowym świetle pojawia się przed nami zjawisko indukcji elektromagnetycznej. Najważniejsze w nim jest proces generowania pola elektrycznego za pomocą pola magnetycznego. W tym przypadku obecność obwodu przewodzącego, na przykład cewki, nie zmienia istoty sprawy. Przewodnik z zapasem wolnych elektronów (lub innych cząstek) pozwala jedynie wykryć powstające pole elektryczne. Pole wprawia elektrony w ruch w przewodniku i tym samym się ujawnia. Istotą zjawiska indukcji elektromagnetycznej w przewodzie nieruchomym jest nie tyle pojawienie się prądu indukcyjnego, ile pojawienie się pola elektrycznego wprawiającego w ruch ładunki elektryczne.

Pole elektryczne powstałe w wyniku zmiany pola magnetycznego ma zupełnie inną strukturę niż elektrostatyczne. Nie jest bezpośrednio połączona z ładunkami elektrycznymi, a jej linie napięcia nie mogą się na nich zaczynać i kończyć. Na ogół nie zaczynają się ani nie kończą nigdzie, ale są liniami zamkniętymi, podobnymi do linii indukcji pola magnetycznego. Jest to tak zwane pole elektryczne wirowe (ryc. 247).

Kierunek jego linii siły pokrywa się z kierunkiem prądu indukcyjnego. Siła działająca od strony wirowego pola elektrycznego na ładunek jest nadal równa: Ale w przeciwieństwie do stacjonarnego pola elektrycznego, praca pola wirowego na ścieżce zamkniętej nie jest równa zeru. Rzeczywiście, gdy ładunek porusza się po zamkniętej linii napięcia

pole elektryczne (ryc. 247), praca na wszystkich odcinkach ścieżki będzie miała ten sam znak, ponieważ siła i przemieszczenie pokrywają się w kierunku. Praca wirowego pola elektrycznego w przemieszczaniu pojedynczego ładunku dodatniego po zamkniętej ścieżce to indukcyjne pole elektromagnetyczne w nieruchomym przewodniku.

Betatron. Wraz z gwałtowną zmianą pola magnetycznego silnego elektromagnesu pojawiają się silne wiry pola elektrycznego, które można wykorzystać do przyspieszania elektronów do prędkości zbliżonych do prędkości światła. Na tej zasadzie opiera się urządzenie akceleratora elektronów – betatronu. Elektrony w betatronie są przyspieszane przez wirowe pole elektryczne wewnątrz pierścieniowej komory próżniowej K, umieszczonej w szczelinie elektromagnesu M (ryc. 248).

Generuje zmienne pole magnetyczne indukowane pole elektryczne. Jeśli pole magnetyczne jest stałe, nie będzie indukowanego pola elektrycznego. W związku z tym, indukowane pole elektryczne nie jest związane z ładunkami, jak w przypadku pola elektrostatycznego; jego linie sił nie zaczynają się i nie kończą na szarżach, lecz zamykają się na sobie, jak linie siły pola magnetycznego. To znaczy, że indukowane pole elektryczne jak magnes jest wir.

Jeśli nieruchomy przewodnik zostanie umieszczony w zmiennym polu magnetycznym, wówczas indukuje się w nim e. s.s. Elektrony są wprawiane w ruch ukierunkowany przez pole elektryczne indukowane przez zmienne pole magnetyczne; występuje indukowany prąd elektryczny. W tym przypadku przewodnik jest tylko wskaźnikiem indukowanego pola elektrycznego. Pole wprawia w ruch swobodne elektrony w przewodniku i tym samym się ujawnia. Teraz można argumentować, że nawet bez przewodnika to pole istnieje, mając zapas energii.

Istota zjawiska indukcji elektromagnetycznej polega nie tyle na pojawieniu się indukowanego prądu, ile na pojawieniu się wirowego pola elektrycznego.

To fundamentalne stanowisko elektrodynamiki zostało ustalone przez Maxwella jako uogólnienie prawa indukcji elektromagnetycznej Faradaya.

W przeciwieństwie do pola elektrostatycznego, indukowane pole elektryczne nie ma potencjału, ponieważ praca wykonywana w indukowanym polu elektrycznym podczas przemieszczania pojedynczego ładunku dodatniego wzdłuż obwodu zamkniętego wynosi np. s.s. indukcja, a nie zero.

Kierunek wektora natężenia pola elektrycznego wiru ustala się zgodnie z prawem indukcji elektromagnetycznej Faradaya i regułą Lenza. Kierunek linii siły wiru el. pole pokrywa się z kierunkiem prądu indukcyjnego.

Ponieważ wirowe pole elektryczne istnieje również przy braku przewodnika, może być wykorzystywane do przyspieszania naładowanych cząstek do prędkości porównywalnych z prędkością światła. To właśnie na tej zasadzie opiera się działanie akceleratorów elektronów – betatronów.

Indukcyjne pole elektryczne ma zupełnie inne właściwości w przeciwieństwie do pola elektrostatycznego.

Różnica między wirowym polem elektrycznym a elektrostatycznym

1) nie wiąże się z ładunkami elektrycznymi;
2) Linie sił tego pola są zawsze zamknięte;
3) Praca sił pola wirowego na ruch ładunków po trajektorii zamkniętej nie jest równa zeru.

pole elektrostatyczne	indukcyjne pole elektryczne (wirowe pole elektryczne)
1. stworzony przez nieruchomy elektr. opłaty	1. spowodowane zmianami pola magnetycznego
2. linie pola są otwarte - pole potencjalne	2. linie sił są zamknięte - pole wirowe
3. Źródłami pola są elektr. opłaty	3. Nie można określić źródeł terenowych
4. praca sił pola w przemieszczaniu ładunku testowego po zamkniętej ścieżce = 0.	4. praca sił pola na ruch ładunku testowego po zamkniętej ścieżce \u003d indukcyjne pole elektromagnetyczne

Jeśli zamknięty przewodnik znajdujący się w polu magnetycznym jest nieruchomy, nie można wyjaśnić występowania indukcyjnego pola elektromagnetycznego działaniem siły Lorentza, ponieważ działa ona tylko na poruszające się ładunki.

Wiadomo, że ruch ładunków może zachodzić również pod działaniem pola elektrycznego, dlatego można założyć, że elektrony w nieruchomym przewodniku są wprawiane w ruch przez pole elektryczne, a pole to jest bezpośrednio generowane przez zmienne pole magnetyczne pole. J. Maxwell jako pierwszy doszedł do tego wniosku.

Nazywa się pole elektryczne wytworzone przez zmienne pole magnetyczne indukowane pole elektryczne. Powstaje w dowolnym punkcie przestrzeni, w którym występuje zmienne pole magnetyczne, niezależnie od tego, czy jest tam obwód przewodzący, czy nie. Obwód pozwala jedynie wykryć powstające pole elektryczne. J. Maxwell uogólnił zatem poglądy M. Faradaya na temat zjawiska indukcji elektromagnetycznej, wykazując, że to właśnie w wystąpieniu indukowanego pola elektrycznego spowodowanego zmianą pola magnetycznego fizyczne znaczenie zjawiska indukcji elektromagnetycznej.

Indukowane pole elektryczne różni się od znanych elektrostatycznych i stacjonarnych pól elektrycznych.

1. Jest to spowodowane nie pewnym rozkładem ładunków, ale przemiennym polem magnetycznym.

2. W przeciwieństwie do linii elektrostatycznych i stacjonarnych pól elektrycznych, które zaczynają się na ładunkach dodatnich, a kończą na ładunkach ujemnych, linie natężenia pola indukowanego - linie zamknięte. Dlatego to pole jest pole wirowe.

Badania wykazały, że linie indukcji pola magnetycznego oraz linie natężenia pola elektrycznego wiru znajdują się we wzajemnie prostopadłych płaszczyznach. Pole elektryczne wiru jest związane ze zmiennym polem magnetycznym, które indukuje je zgodnie z regułą lewa śruba:

jeśli czubek lewej śruby przesuwa się do przodu w kierunku ΔΒ , to obracając łeb śruby wskażemy kierunek linii natężenia indukowanego pola elektrycznego (rys. 1).

3. Indukowane pole elektryczne nie jest potencjalny. Różnica potencjałów między dowolnymi dwoma punktami przewodnika, przez które przepływa prąd indukcyjny, wynosi 0. Praca wykonana przez to pole, gdy ładunek porusza się po zamkniętej ścieżce, nie jest równa zeru. Indukcja emf to praca indukowanego pola elektrycznego na ruch ładunku jednostkowego wzdłuż rozważanego obwodu zamkniętego, tj. nie potencjał, ale EMF indukcji jest charakterystyką energii indukowanego pola.

Literatura

Aksenovich L. A. Fizyka w Liceum: Teoria. Zadania. Testy: proc. dodatek dla instytucji świadczących usługi ogólne. środowiska, edukacja / L.A. Aksenovich, N.N. Rakina, K.S. Farino; Wyd. K.S. Farino. - Mn.: Adukatsia i vykhavanne, 2004. - C. 350-351.

Oprócz potencjalnego pola elektrycznego kulomba istnieje pole wirowe, w którym znajdują się zamknięte linie napięcia. Porozumiewawczy właściwości ogólne pole elektryczne, łatwiej jest zrozumieć naturę wiru. Jest generowany przez zmieniające się pole magnetyczne.

Co powoduje prąd indukcyjny przewodnika w stanie stacjonarnym? Co to jest indukcja pola elektrycznego? Odpowiedź na te pytania, a także różnicę między wirami a elektrostatycznymi i stacjonarnymi, prądami Foucaulta, ferrytami i nie tylko, dowiesz się z poniższego artykułu.

Jak zmienia się strumień magnetyczny?

Pole elektryczne wirowe, które pojawiło się po magnetycznym, jest zupełnie innego rodzaju niż pole elektrostatyczne. Nie ma bezpośredniego związku z podopiecznymi, a napięcia na jego liniach nie zaczynają się i nie kończą. To są zamknięte linie, jak pole magnetyczne. Dlatego nazywa się to polem elektrycznym wiru.

Indukcja magnetyczna

Indukcja magnetyczna będzie się zmieniać, im szybciej, tym większa intensywność. Zasada Lenza mówi: wraz ze wzrostem indukcji magnetycznej kierunek wektora pola elektrycznego tworzy lewą śrubę o kierunku innego wektora. Oznacza to, że gdy lewa śruba obraca się w kierunku linii napięcia, jej ruch translacyjny stanie się taki sam jak wektor indukcji magnetycznej.

Jeśli indukcja magnetyczna zmniejszy się, to kierunek wektora natężenia utworzy prawą śrubę z kierunkiem innego wektora.

Linie siły napięcia mają ten sam kierunek, co prąd indukcyjny. Wirowe pole elektryczne działa na ładunek z taką samą siłą jak poprzednio. Jednak w tym przypadku jego praca nad przemieszczaniem ładunku jest różna od zera, jak w stacjonarnym polu elektrycznym. Ponieważ siła i przemieszczenie mają ten sam kierunek, praca na całej ścieżce wzdłuż zamkniętej linii napięcia będzie taka sama. Praca dodatniego ładunku jednostkowego będzie tutaj równa sile elektromotorycznej indukcji w przewodniku.

Prądy indukcyjne w masywnych przewodach

W masywnych przewodnikach prądy indukcyjne osiągają maksymalne wartości. Dzieje się tak, ponieważ mają niewielki opór.

Takie prądy nazywane są prądami Foucaulta (jest to francuski fizyk, który je badał). Mogą służyć do zmiany temperatury przewodów. To właśnie ta zasada jest stosowana w kuchenkach indukcyjnych, na przykład domowych kuchenkach mikrofalowych. Służy również do topienia metali. Indukcję elektromagnetyczną stosuje się również w wykrywaczach metali znajdujących się w terminalach lotniczych, teatrach i innych w miejscach publicznych z dużym zgromadzeniem ludzi.

Ale prądy Foucaulta prowadzą do strat energii przy wytwarzaniu ciepła. Dlatego rdzenie transformatorów, silników elektrycznych, generatorów i innych urządzeń żelaznych nie są wykonane z litego, ale z różnych płyt, które są od siebie odizolowane. Płytki muszą być ściśle prostopadłe do wektora natężenia, który ma wirowe pole elektryczne. Płyty będą wtedy miały maksymalną rezystancję prądu i będzie generowana minimalna ilość ciepła.

Ferryty

Sprzęt radiowy działa na najwyższych częstotliwościach, gdzie liczba drgań sięga milionów drgań na sekundę. Cewki rdzeniowe nie będą tutaj skuteczne, ponieważ prądy Foucaulta pojawią się w każdej płytce.

Istnieją izolatory magnetyczne zwane ferrytami. Prądy wirowe nie pojawią się w nich podczas odwrócenia namagnesowania. Dzięki temu straty energii na ciepło są zredukowane do minimum. Służą do wytwarzania rdzeni stosowanych w transformatorach wysokiej częstotliwości, antenach tranzystorowych i tak dalej. Otrzymywane są z mieszanki oryginalnych substancji, która jest prasowana i poddawana obróbce termicznej.

Jeśli pole magnetyczne w ferromagnecie zmienia się gwałtownie, prowadzi to do pojawienia się prądów indukowanych. Ich pole magnetyczne zapobiegnie zmianie strumienia magnetycznego w rdzeniu. Dlatego strumień się nie zmieni, a rdzeń zostanie ponownie namagnesowany. Prądy wirowe w ferrytach są tak małe, że mogą szybko odwrócić namagnesowanie.