Явление электромагнитной индукции.
Электромагнитная индукция- явление возникновения в замкнутом проводнике электрического тока, обусловленного изменением магнитного поля. Создаваемый при этом источник тока стали называть ЭДС индукции, а возникающий ток- индукционным. Направление тока можно определить по правилу правой руки: В- входит в ладонь, u (направление движения проводника)- большой палец, I- другие пальцы.
Вихревое электрическое поле.
Любое изменение магнитного поля вызывает появление индукционного электрического поля в окружающем пространстве. Это поле вихревое, то есть линии этого поля замкнуты. Направление вихревых токов таково, что создаваемое ими магнитное поле противодействует движению проводника.
Закон электромагнитной индукции.
Индукционный ток создает собственное магнитное поле. Поле, вызвавшее появление тока, и поле, появившееся, взаимодействуют между собой.
Правило Ленца.
Правило Ленца: ЭДС индукции вызывает в замкнутом проводнике такой индукционный ток, который своим магнитным полем противодействует причине, возбуждающей ЭДС. Величина ЭДС индукции прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока, проходящего внутри рамки. eин=-DФ/Dt.
Самоиндукция.
При замыкании цепи: самоиндукция- явление, при котором переменное магнитное поле, созданное током в какой-либо цепи, возбуждает ЭДС индукции в той же самой цепи. Ток направлен противоположно первичному току. При размыкании цепи: запасенная в магнитном поле этой цепи энергия превращается в энергию самоиндукции. Ток направлен одинаково с первичным током.
Индуктивность.
L- коэффициент, зависящий только от свойств контура. Ф=LI. Индуктивность контура численно равна потоку напряженности магнитного поля, пронизывающему этот контур и созданному током силой в 1 А, протекающим по этому контуру. Единица индуктивности- Генри. [Гн]=[Вб А]. 1 Генри- такая индуктивность контура, при которой при силе тока в нем в 1 Ампер возникает магнитный поток в 1 Вебер.
ЭДС самоиндукции.
ЭДС самоиндукции- возникающая электродвижущая сила. Она приводит к соответствующему перераспределению заряженных частиц в проводнике (при размыкании цепи) или к возникновению тока самоиндукции, направление которого определяется по правилу Ленца. Ec=LDI/Dt.
Энергия магнитного поля тока.
Согласно закону сохранения энергии энергия магнитного поля, созданного током, равна той энергии, которую должен затратить источник тока на создание тока. При размыкании цепи ток исчезает и вихревое поле совершает положительную работу. Запасенная током энергия выделяется (это видно по мощной искре). WM=LI2/2.
3.5.Электромагнитные колебания и волны.
Переменный электрический ток.
Переменный электрический ток- ток, величина и направление которого меняются с течением времени с различной частотой. Он являет собой вынужденные незатухающие колебания. Ei=-Ф¢=-(BScoswt)¢=BSsinwt=E0sinwt. Число витков может увеличить Е0=NBSsinwt. Ток будет изменяться по закону: I=I0sin(wt+j0).
Амплитудное и действующее (эффективное) значение периодически изменяющегося напряжения и силы тока.
Амплитудное значение I=I0sin(wt+j0), где j0- разность фаз колебаний. Действующее значение силы тока в цепи равно силе постоянного тока, вызывающего такое же выделение количества теплоты. Действующее значение силы тока IД=I0/Ö2¢. I02¹0 за период. IД=I0/Ö2¢=U0/RAÖ2¢; IДRA=U0/Ö2¢, но IДRA=UД Þ UД=U0/Ö2¢.
Получение переменного тока с помощью индукционных генераторов.
Генератор- устройство для создания переменного тока. При вращении рамки по закону Фарадея на концах рамки возникает ЭДС, она равна Ei=-Ф¢=-(BScoswt)¢=BSsinwt=E0sinwt. Число витков может увеличить Е0=NBSsinwt. Индуцируемая ЭДС определяется не значением самого потока, а скоростью его изменения.
Трансформатор.
Трансформатор- прибор, который позволяет осуществить преобразование переменный ток, при котором напряжение увеличивается или уменьшается в несколько раз практически без потери мощности. Он имеет две обмотки (первичную и вторичную), надетые на стальной сердечник. N1- число витков в первичной обмотке, N2- во вторичной. N1/N2=U1/U2=K. K- коэффициент трансформации. При K>1- понижающий трансформатор, при K<1- повышающий.
Передача электрической энергии.
Передача электроэнергии на большие расстояния с малыми потерями - сложная задача. Поэтому ее выгодно осуществлять при высоком напряжении (при помощи повышающих трансформаторов) и малой силе тока. На конце линии ставят понижающие трансформаторы.
Колебательный контур.
Колебательный контур- простейшая система, в которой могут возникать свободные электромагнитные колебания. Он представляет собой соединенные последовательно конденсатор и катушку. В закрытом колебательном контуре электромагнитных колебаний не возникает.
Свободные электромагнитные колебания в контуре.
Свободные электромагнитные колебания- периодически повторяющиеся изменения силы тока в электрической цепи, сопровождающиеся периодическими превращениями энергии электрического поля в энергию магнитного поля (или обратно), происходящие без потребления энергии от внешних источников. Простейшая система- колебательный контур (последовательно соединенные конденсатор и катушка).
Превращение энергии в колебательном контуре.
t=0: зарядка конденсатора от батареи, вся энергия в конденсаторе; E=qm2/2c.
t=T/8: возникновение тока I, энергия распределена по контуру.
t=T/4: конденсатор разрядился, вся энергия в катушке, I достигает мах.
t=3T/8: конденсатор начинает перезаряжаться, энергия распределена.
t=T/2: конденсатор полностью перезарядился, энергия распределена, I=0.
Уравнение, описывающее процессы в колебательном контуре, и его решение.
В колебательном контуре роль ЭДС играет ЭДС самоиндукции. I(R+r)+UC=EL=-LI¢=-LDI/Dt; R+r®0 Þ I(R+r)®0; -LI¢=UC=q/C; I¢=q/LC. Пусть 1/LC=w02, тогда q¢¢=-w02q- это основное уравнение собственных электромагнитных колебаний. Его решением является уравнение вида q=q0cos(w0t+j0).
Формула Томсона для периода колебаний.
T=2pÖLC¢- формула Томсона. В колебательном контуре роль ЭДС играет ЭДС самоиндукции. I(R+r)+UC=EL=-LI¢=-LDI/Dt; (R+r)®0 Þ I(R+r)®0; -LI¢=UC=q/C; I¢=q/LC. Пусть 1/LC=w02; T=2p/w0=2pÖLC¢.
Затухающие электромагнитные колебания.
Собственные колебания в контуре быстро затухают, то есть происходит уменьшение амплитуды колебаний, так как значительная часть энергии при каждом колебании превращается в теплоту из-за наличия электрического сопротивления цепи и некоторая часть энергии излучается в окружающее пространство.
Вынужденные колебания в электрических цепях.
Если помимо конденсатора и катушки индуктивности в контур включен источник переменной ЭДС, то в контуре возникают вынужденные электромагнитные колебания. Эти колебания происходят на частоте изменения переменной ЭДС w независимо от собственной частоты колебаний контура w0.
Активное, емкостное и индуктивное сопротивление в цепи гармонического тока.
Активное сопротивление: ток по фазе совпадает с напряжением и его амплитуда равна I0=U0/RA. Емкостное сопротивление: RC=1/wC. Индуктивное сопротивление: опыты показали, что RL=wL. [RL]=[ГнГц]=[В с/А с]=[В/А]=Ом. При включении всех сопротивлений в цепь R2=RA2+(Lw-1/wC)2.
Резонанс в электрических цепях.
Резонанс в электрической цепи наступает при совпадении частоты вынужденных колебаний с частотой собственных колебаний контура. При резонансе резко возрастают амплитуды колебаний токов и напряжений на элементах схемы. Явление резонанса широко используется в радиотехнике.
Открытый колебательный контур.
Открытый колебательный контур- стержень с шариками на концах, разделенный посередине небольшим разрядным промежутком. Для получения колебаний в нем необходимо зарядить шарики различными по модулю зарядами. Тогда возникнет искровой заряд и электромагнитное поле.
Опыты Герца.
Герц проводил опыты с разрядом мощной индукционной катушки. Ему удалось получить сверхбыстрые колебания электрического тока прямолинейном отрезке проводника. Продолжая опыты, Герц установил, что быстрые колебания тока в одном проводнике способны вызвать колебания тока в другом проводнике, удаленном от первого на некоторое расстояние.
Электромагнитные волны. Их свойства.
Электромагнитная волна- процесс распространения электромагнитного поля (происходит со скоростью света). Однажды начавшийся в некоторой ты=очке пространства процесс изменения электромагнитного поля охватывает все новые и новые области окружающего пространства (Максвелл). u=1/Öee0mm0¢. Электромагнитные волны- волны, направление колебаний которых перпендикулярно направлению их распространения (поперечные волны). Они отражаются, преломляются, поляризуются, то есть ведут себя идентично другим волнам.
Шкала электромагнитных волн.
l=сТ=с/n. Радиоволны: l»10-2¸102 м; видимый свет: l»0,4 10-6¸0,7 10-6 м; рентгеновские лучи l»10-10 м.
Излучение и прием электромагнитных волн.
Из опытов Герца: быстрые колебания в металлическом стержне возбуждают колебания в другом металлическом стержне, находящимся на некотором расстоянии от первого. Это и есть основной способ излучения и приема электромагнитных волн.
Изобретение радио Поповым.
В 1895 году Попов применил для приема электромагнитной волны когерер, что позволило значительно увеличить дальность приема. Этот прибор стал первым в мире радиоприемником.