Potențial de câmp electrostatic sau vortex. Câmp electric vortex - Hipermarket de cunoaștere. Caracteristicile didactice ale calculatorului
În conformitate cu legea lui Faraday pentru inducția electromagnetică într-un circuit care se mișcă într-un câmp magnetic, apare un EMF proporțional cu rata de schimbare a fluxului magnetic în acest circuit.
Experimentele lui Faraday au stabilit, de asemenea, că EMF de inducție electromagnetică, definită prin expresia (67), apare și atunci când un circuit fix pătrunde într-un câmp magnetic în schimbare (Figura 48).
Dacă într-un circuit în mișcare cauza EMF este forța Lorentz, atunci mecanismul apariției sale într-un circuit fix (conductor) devine neclar. Evident, forța externă care separă sarcinile din circuit nu poate fi de origine electrostatică, întrucât forțele Coulomb nu conduc la creșterea diferenței de potențial, la egalizarea acesteia.
Figura 48
Conform definiției generale a sursei EMF ε , (68)
unde este intensitatea câmpului forțelor externe.
Pe de altă parte 
. (69)
Simbolul derivatei parțiale din expresia (69) indică faptul că, în cazul general, inducția câmpului magnetic depinde nu numai de timp, ci și de coordonate.
Luând în considerare formulele (69) și (68), legea lui Faraday pentru inducția electromagnetică este transformată în forma 
. (70)
Conform expresiei obținute (70), orice modificare a câmpului magnetic care pătrunde în circuit duce la apariția intensității câmpului forțelor externe u. ca urmare, la apariția inducției electromagnetice în circuitul EMF. În acest caz, modificarea câmpului magnetic nu este însoțită de modificări mecanice, chimice, termice și de altă natură ale circuitului. fizician englez J. Maxwell a propus o ipoteză conform căreia forțele externe care separă sarcinile din circuit sunt de natură electrică. Atunci relația (70) poate fi scrisă și ca 
. (71)
Conform formulei (71), într-un câmp magnetic în schimbare, circulația vectorului intensității câmpului electric nu este egală cu zero, adică câmpul electric este vortex (Figura 49).
Este important de reținut că un câmp electric vortex apare în orice spațiu, adică pentru existența sa, prezența unui circuit conductor nu este necesară. Dar dacă acest câmp a apărut într-un mediu conductor, atunci duce la apariția curenților turbionari sau a curenților Foucault (Figura 50).
În conductoarele cu rezistivitate scăzută, acești curenți pot atinge valori mari. În acest sens, ele sunt adesea folosite pentru încălzirea prin inducție a pieselor metalice în timpul călirii, degazarea fitingurilor dispozitivelor electronice etc.
Figura 49 Figura 50
În timpul funcționării mașinilor electrice (motoare electrice, generatoare, transformatoare), acești curenți conduc la pierderi de căldură nedorite în circuitele magnetice metalice. Pentru a reduce pierderile, miezurile transformatoarelor, statoarelor și rotoarelor mașinilor electrice sunt recrutate din plăci subțiri de oțel electric izolate unele de altele. În alte cazuri, materiale magnetice de înaltă rezistență - ferite - sunt folosite ca circuite magnetice.
Sfârșitul lucrării -
Acest subiect aparține:
câmp electrostatic
Fizice și Proprietăți chimice substanțele de la un atom la o celulă vie sunt explicate în mare măsură prin forțe electrice. electrice.. electrostatice.. exemplu mediu e vid aer kerosen apă..
Dacă aveți nevoie de material suplimentar pe această temă, sau nu ați găsit ceea ce căutați, vă recomandăm să utilizați căutarea în baza noastră de date de lucrări:
Ce vom face cu materialul primit:
Dacă acest material s-a dovedit a fi util pentru dvs., îl puteți salva pe pagina dvs. de pe rețelele sociale:
| tweet |
Toate subiectele din această secțiune:
Lanțuri eterogene
Un circuit electric în care fluxul continuu de curent este asigurat de forțe externe se numește n
Câmp magnetic în vid
Un câmp electrostatic apare în apropierea sarcinilor staționare. Mișcarea sarcinilor (fluxul curentului electric) duce la apariția unei noi forme de materie - un câmp magnetic. Aceasta este o persoană
Circulația vectorului de inducție magnetică
Prin analogie cu electrostatica, este definit conceptul de circulație vectorială într-o buclă închisă
Circuit cu curent într-un câmp magnetic uniform
Să aplicăm legea lui Ampère unui circuit dreptunghiular cu curent într-un câmp magnetic uniform. Muchiile „a” sunt supuse unei forțe
Circuit cu curent într-un câmp magnetic neuniform
Dacă un circuit purtător de curent se află într-un câmp magnetic neuniform, atunci forțe inegale acționează asupra diferitelor sale secțiuni
Circuit cu curent într-un câmp magnetic radial
Din formulele (37) și (38) rezultă că într-un câmp magnetic uniform, cuplul care acționează asupra circuitului purtător de curent este maxim dacă
Motoare electrice
Din figura 23 rezultă că odată cu orientarea aleasă a polilor magnetului și direcția curentului din circuit, cuplul este îndreptat „pe noi”, adică tinde să rotească circuitul în sens invers acelor de ceasornic.
Lucrarea câmpului magnetic
Dacă forța de amper care acționează asupra unui conductor care poartă curent din câmpul magnetic îl face să se miște, atunci o
Magnetizarea substanțelor
Substanțe diverseîntr-un câmp magnetic, ei devin magnetizați, adică dobândesc un moment magnetic și ei înșiși devin surse de câmpuri magnetice. Câmpul magnetic rezultat în mediu este suma câmpurilor,
Dia-, para- și feromagneți și aplicațiile acestora
Momentul magnetic al unui atom include mai multe componente, unde
Diamagneți
Pentru unii atomi (Cu, Au, Zn etc.), învelișurile de electroni au o astfel de structură încât momentele orbitale și de spin sunt compensate reciproc, iar în general momentul magnetic al atomului este n
Paramagneți
Atomii unor substanțe precum Al, Mn, Os etc. au un moment orbital total necompensat, adică în absența unui câmp exterior, au momente magnetice proprii. termic
Feromagneții și aplicațiile lor
Sunt izolate substanțele a căror permeabilitate magnetică ajunge la sute și chiar milioane de unități
Inductie electromagnetica
În centrul metodei moderne de generare a energiei electrice se află fenomen fizic inducție electromagnetică, descoperită de Faraday în 1831. Energia modernă este din ce în ce mai mult
Fenomenul inducției electromagnetice
Luați în considerare esența inducției electromagnetice și principiile care conduc la acest fenomen. Să presupunem că conductorul 1-2 se mișcă într-un câmp magnetic cu o viteză
Generator electric
Legea lui Faraday se referă la legile fundamentale ale naturii și este o consecință a legii conservării energiei. Este utilizat pe scară largă în inginerie, în special în generatoare. Ora principală
auto-inducție
Fenomenul de inducție electromagnetică se observă în toate cazurile când fluxul magnetic care pătrunde în circuit se modifică. În special, fluxul magnetic este creat și de curentul care curge în circuitul însuși. Poeto
Procese tranzitorii în circuite cu inductanță
Luați în considerare un circuit care conține inductanță și rezistență activă (Figura 44). În starea inițială, cheia S era în poziție neutră. Lasă la momentul t
Inducerea reciprocă. Transformator
Fenomenul de inducție reciprocă este un caz special al fenomenului de inducție electromagnetică. Să punem doi cai
Ecuațiile lui Maxwell
Până la mijlocul secolului al XIX-lea, se acumulase un număr mare de fapte experimentale despre electricitate și magnetism. O contribuție neprețuită la aceasta a fost adusă de M. Faraday, al cărui succes suprem
Energia câmpului magnetic
Să calculăm energia câmpului magnetic. Pentru a face acest lucru, calculăm lucrul sursei de curent într-un circuit cu inductanță. Când curentul este stabilit într-un astfel de circuit conform legii lui Ohm, avem iR = ε
Curent de polarizare
În conformitate cu ipoteza directă a lui J. Maxwell, un câmp magnetic în schimbare generează un câmp electric alternativ. Ipoteza inversă a lui Maxwell afirmă că variabila electrică
Ecuațiile lui Maxwell
În 1860-65. Maxwell a dezvoltat teoria unității câmp electromagnetic, care este descris de sistemul de ecuații Maxwell
Inducția EMF are loc fie într-un conductor staționar plasat într-un câmp care variază în timp, fie într-un conductor care se mișcă într-un câmp magnetic care nu se poate modifica în timp. Valoarea CEM în ambele cazuri este determinată de lege (12.2), dar originea CEM este diferită. Luați în considerare mai întâi primul caz.
Să avem un transformator în fața noastră - două bobine puse pe un miez. Prin includerea înfășurării primare în rețea, vom obține curentul în înfășurarea secundară (Fig. 246), dacă este închisă. Electronii din firele secundare se vor mișca. Dar ce forțe îi fac să se miște? Câmpul magnetic însuși, care pătrunde în bobină, nu poate face acest lucru, deoarece câmpul magnetic acționează exclusiv asupra sarcinilor în mișcare (acesta este ceea ce diferă de cel electric), iar conductorul cu electronii în el este nemișcat.
Pe lângă câmpul magnetic, sarcinile sunt afectate și de câmpul electric. În plus, poate acționa și asupra sarcinilor staționare. Dar la urma urmei, câmpul despre care s-a discutat până acum (câmp electrostatic și staționar) este creat de sarcini electrice, iar curentul de inducție apare sub acțiunea unui câmp magnetic alternativ. Acest lucru sugerează că electronii dintr-un conductor fix sunt puși în mișcare de un câmp electric și acest câmp este generat direct de un câmp magnetic alternativ. Astfel, se afirmă o nouă proprietate fundamentală a câmpului: schimbându-se în timp, câmpul magnetic generează un câmp electric. La această concluzie a ajuns pentru prima dată Maxwell.
Acum, fenomenul inducției electromagnetice apare în fața noastră într-o lumină nouă. Principalul lucru în ea este procesul de generare a unui câmp electric printr-un câmp magnetic. În acest caz, prezența unui circuit conductor, de exemplu, o bobină, nu schimbă esența materiei. Un conductor cu o sursă de electroni liberi (sau alte particule) vă permite doar să detectați câmpul electric emergent. Câmpul pune electronii în mișcare în conductor și astfel se dezvăluie. Esența fenomenului de inducție electromagnetică într-un conductor fix este nu atât în apariția unui curent de inducție, cât în apariția unui câmp electric care pune în mișcare sarcinile electrice.
Câmpul electric care rezultă dintr-o modificare a câmpului magnetic are o structură complet diferită de cea electrostatică. Nu este conectat direct cu sarcinile electrice, iar liniile sale de tensiune nu pot începe și nu se termină pe ele. În general, nu încep sau se termină nicăieri, ci sunt linii închise, similare liniilor de inducție a câmpului magnetic. Acesta este așa-numitul câmp electric vortex (Fig. 247).
Direcția liniilor sale de forță coincide cu direcția curentului de inducție. Forța care acționează din partea câmpului electric vortex asupra sarcinii este încă egală cu: Dar, spre deosebire de câmpul electric staționar, munca câmpului vortex pe o cale închisă nu este egală cu zero. Într-adevăr, atunci când o sarcină se mișcă de-a lungul unei linii închise de tensiune
câmp electric (Fig. 247), lucrul pe toate secțiunile căii va avea același semn, deoarece forța și deplasarea coincid în direcție. Lucrul câmpului electric vortex în deplasarea unei singure sarcini pozitive pe o cale închisă este EMF de inducție într-un conductor staționar.
Betatron. Odată cu o schimbare rapidă a câmpului magnetic al unui electromagnet puternic, apar vortexuri puternice ale câmpului electric, care pot fi folosite pentru a accelera electronii la viteze apropiate de viteza luminii. Dispozitivul acceleratorului de electroni - betatronul se bazează pe acest principiu. Electronii din betatron sunt accelerați de câmpul electric vortex din interiorul camerei inelare cu vid K, plasat în golul electromagnetului M (Fig. 248).
Se generează un câmp magnetic alternativ câmp electric indus. Dacă câmpul magnetic este constant, atunci nu va exista un câmp electric indus. Prin urmare, câmpul electric indus nu este legat de sarcini, precum este cazul unui câmp electrostatic; liniile sale de forță nu încep și se termină cu încărcături, ci sunt închise pe ele însele, ca liniile de forță ale unui câmp magnetic. Înseamnă că câmp electric indus, ca un magnetic este vortex.
Dacă un conductor staționar este plasat într-un câmp magnetic alternativ, atunci e este indus în el. d.s. Electronii sunt conduși într-o mișcare direcționată de un câmp electric indus de un câmp magnetic alternativ; apare un curent electric indus. În acest caz, conductorul este doar un indicator al câmpului electric indus. Câmpul pune în mișcare electronii liberi din conductor și astfel se dezvăluie. Acum se poate susține că și fără conductor acest câmp există, având o rezervă de energie.
Esența fenomenului de inducție electromagnetică constă nu atât în apariția unui curent indus, cât în apariția unui câmp electric vortex.
Această poziție fundamentală a electrodinamicii a fost stabilită de Maxwell ca o generalizare a legii lui Faraday a inducției electromagnetice.
Spre deosebire de câmpul electrostatic, câmpul electric indus este nepotențial, deoarece munca efectuată în câmpul electric indus atunci când se deplasează o singură sarcină pozitivă de-a lungul unui circuit închis este e. d.s. inducție, nu zero.
Direcția vectorului de intensitate al câmpului electric vortex este stabilită în conformitate cu legea lui Faraday a inducției electromagnetice și cu regula lui Lenz. Direcția liniilor de forță ale vortexului el. câmpul coincide cu direcția curentului de inducție.
Deoarece câmpul electric vortex există și în absența unui conductor, acesta poate fi folosit pentru a accelera particulele încărcate la viteze proporționale cu viteza luminii. Pe utilizarea acestui principiu se bazează acțiunea acceleratorilor de electroni - betatroni.
Câmpul electric de inducție are proprietăți complet diferite în contrast cu câmpul electrostatic.
Diferența dintre un câmp electric vortex și unul electrostatic
1) Nu este conectat cu sarcini electrice;
2) Liniile de forță ale acestui câmp sunt întotdeauna închise;
3) Lucrarea forțelor câmpului vortex asupra mișcării sarcinilor pe o traiectorie închisă nu este egală cu zero.
|
câmp electrostatic |
câmp electric de inducție |
| 1. creat de electr nemișcat. taxe | 1. cauzate de modificări ale câmpului magnetic |
| 2. liniile de câmp sunt deschise - câmp potențial | 2. liniile de forță sunt închise - câmpul de vortex |
| 3. Sursele câmpului sunt electr. taxe | 3. sursele de câmp nu pot fi specificate |
| 4. munca forțelor câmpului în deplasarea sarcinii de testare pe un drum închis = 0. | 4. munca forțelor câmpului asupra mișcării sarcinii de testare de-a lungul unei căi închise \u003d EMF de inducție |
Dacă un conductor închis situat într-un câmp magnetic este staționar, atunci este imposibil de explicat apariția EMF de inducție prin acțiunea forței Lorentz, deoarece acționează numai asupra sarcinilor în mișcare.
Se știe că mișcarea sarcinilor se poate produce și sub acțiunea unui câmp electric.De aceea, se poate presupune că electronii dintr-un conductor staționar sunt puși în mișcare de un câmp electric, iar acest câmp este generat direct de un magnetic alternant. camp. J. Maxwell a fost primul care a ajuns la această concluzie.
Câmpul electric creat de un câmp magnetic alternativ se numește câmp electric indus. Este creat în orice punct al spațiului în care există un câmp magnetic alternativ, indiferent dacă există sau nu un circuit conductor acolo. Circuitul vă permite doar să detectați câmpul electric emergent. Astfel, J. Maxwell a generalizat ideile lui M. Faraday despre fenomenul inducției electromagnetice, arătând că tocmai în apariția unui câmp electric indus cauzat de o modificare a câmpului magnetic sens fizic fenomene de inducție electromagnetică.
Câmpul electric indus diferă de câmpurile electrice electrostatice și staționare cunoscute.
1. Este cauzată nu de o anumită distribuție a sarcinilor, ci de un câmp magnetic alternativ.
2. Spre deosebire de liniile câmpurilor electrice electrostatice și staționare, care încep cu sarcini pozitive și se termină cu sarcini negative, linii de intensitate a câmpului indus - linii închise. Prin urmare, acest domeniu este câmpul de vortex.
Studiile au arătat că liniile de inducție a câmpului magnetic și liniile de intensitate a câmpului electric vortex sunt situate în planuri reciproc perpendiculare. Câmpul electric vortex este legat de câmpul magnetic alternativ care îl induce prin regulă șurubul stâng:
dacă vârful șurubului din stânga se deplasează înainte în direcția ΔΒ , apoi rotirea capului șurubului va indica direcția liniilor de intensitate a câmpului electric indus (Fig. 1).
3. Câmp electric indus nu este potential. Diferența de potențial dintre oricare două puncte ale conductorului prin care trece curentul de inducție este 0. Munca efectuată de acest câmp atunci când sarcina se mișcă pe o cale închisă nu este egală cu zero. FEM de inducție este munca câmpului electric indus asupra mișcării unei sarcini unitare de-a lungul circuitului închis considerat, adică. nu potenţialul, ci EMF de inducţie este caracteristica energetică a câmpului indus.
Literatură
Aksenovich L. A. Fizica în liceu: Teorie. Sarcini. Teste: Proc. indemnizație pentru instituțiile care oferă general. medii, educație / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsia i vykhavanne, 2004. - C. 350-351.
Pe lângă câmpul electric potențial Coulomb, există un câmp de vortex în care există linii închise de tensiune. știind proprietăți generale câmp electric, este mai ușor de înțeles natura vortexului. Este generată de un câmp magnetic în schimbare.
Ce cauzează curentul de inducție al unui conductor în stare staționară? Ce este inducția câmpului electric? Răspunsul la aceste întrebări, precum și diferența dintre vortex și electrostatic și staționar, curenții Foucault, ferite și multe altele, veți afla din articolul următor.
Cum se modifică fluxul magnetic?
Câmpul electric vortex, care a apărut după cel magnetic, este cu totul diferit de cel electrostatic. Nu are legătură directă cu încărcăturile, iar tensiunile de pe liniile sale nu încep și nu se termină. Acestea sunt linii închise, ca un câmp magnetic. Prin urmare, se numește câmp electric vortex.
Inductie magnetica
Inducția magnetică se va schimba cu cât mai repede, cu atât este mai mare intensitatea. Regula lui Lenz spune: odată cu creșterea inducției magnetice, direcția vectorului câmpului electric creează un șurub stâng cu direcția altui vector. Adică, atunci când șurubul din stânga se rotește în direcția cu liniile de tensiune, mișcarea sa de translație va deveni aceeași cu cea a vectorului de inducție magnetică.
Dacă inducția magnetică scade, atunci direcția vectorului de intensitate va crea un șurub drept cu direcția altui vector.
Liniile de forță de tensiune au aceeași direcție ca și curentul de inducție. Câmpul electric vortex acționează asupra sarcinii cu aceeași forță ca înainte. Cu toate acestea, în acest caz, activitatea sa de mișcare a sarcinii este diferită de zero, ca într-un câmp electric staționar. Deoarece forța și deplasarea au aceeași direcție, atunci lucrul de-a lungul întregului traseu de-a lungul liniei închise de tensiune va fi același. Lucrul unei sarcini unitare pozitive aici va fi egal cu forța electromotoare de inducție în conductor.
Curenți de inducție în conductori masivi
În conductoarele masive, curenții de inducție primesc valori maxime. Acest lucru se datorează faptului că au rezistență mică.
Astfel de curenți se numesc curenți Foucault (acesta este un fizician francez care i-a studiat). Ele pot fi folosite pentru a modifica temperatura conductorilor. Acest principiu este încorporat în cuptoarele cu inducție, de exemplu, cuptoarele cu microunde de uz casnic. De asemenea, este folosit pentru topirea metalelor. Inducția electromagnetică este utilizată și în detectoarele de metale situate în terminalele aeroporturilor, teatre și altele în locuri publice cu o mare adunare de oameni.
Dar curenții Foucault duc la pierderi de energie pentru a produce căldură. Prin urmare, miezurile transformatoarelor, motoarelor electrice, generatoarelor și altor dispozitive sunt fabricate din fier nu solid, ci din plăci diferite, care sunt izolate unele de altele. Plăcile trebuie să fie strict perpendiculare pe vectorul de intensitate, care are un câmp electric vortex. Plăcile vor avea atunci rezistență maximă de curent, iar cantitatea minimă de căldură va fi generată.
Ferite
Echipamentele radio funcționează la cele mai înalte frecvențe, unde numărul ajunge la milioane de vibrații pe secundă. Bobinele miezului nu vor fi eficiente aici, deoarece curenții Foucault vor apărea în fiecare placă.
Există magneti izolatori numiti ferite. Curenții turbionari nu vor apărea în ei în timpul inversării magnetizării. Prin urmare, pierderile de energie pentru căldură sunt reduse la minimum. Sunt folosite pentru a face nuclee folosite pentru transformatoare de înaltă frecvență, antene cu tranzistori și așa mai departe. Sunt obținute dintr-un amestec de substanțe originale, care este presat și prelucrat termic.
Dacă câmpul magnetic dintr-un feromagnet se modifică rapid, aceasta duce la apariția curenților induși. Câmpul lor magnetic va preveni o modificare a fluxului magnetic din miez. Prin urmare, fluxul nu se va schimba, iar miezul va fi remagnetizat. Curenții turbionari din ferite sunt atât de mici încât pot inversa rapid magnetizarea.
