Електромагнітна Індукція: Закон Фарадея та Опірний Струм Ленца

Рухомий магніт генерує струм

Перемістіть магніт біля котушки дроту і, не використовуючи батареї чи дотикання дроту до магніту, у котушці з’являється струм. Майкл Фарадей продемонстрував цей ефект у 1831 році, і цей ефект є одним із двох або трьох найважливіших відкриттів у фізиці — кожен генератор, трансформатор та індукційний двигун на Землі працює на його основі. Закон Фарадея стверджує, що електромотивну силу (ЕМФ, по суті, виведену напругу) навколо петлі дорівнює від’ємному швидкості зміни магнітного потоку через неї:

ε = -N · dΦ/dt де Φ – магнітний потік через один виток котушки, N – кількість витків, а ε – виведену ЕМФ. Потік сам по собі дорівнює Φ = B·A·cos(θ), де B – сила магнітного поля, A – площа, через яку воно проходить, і cos(θ) – косинус кута між полем та нормаллю поверхні — отже, виведений струм може виникнути від зміни сили поля, зміни площі або зміни кута; закон турбується лише швидкістю зміни загального потоку, а не про те, який інгредієнт змінюється.

ε = -N · dΦ/dt

Закон Ленца: природа протистоїть змінам

Мінус у законі Фарадея не є просто декоративним знаком – це закон Ленца, який стверджує, що індукований струм завжди створюється в напрямку, що суперечить зміні потоку флукса, який його створив. Якщо прикласти північний полюс магнета до котушки, індукований струм створить власне магнітне поле, яке відштовхує наближаючийся магнет; якщо відтягнути магнет, індукований струм спробує його повернути назад. Це протистояння не є випадковістю умовного позначення, а є прямим наслідком закону збереження енергії – якби індукований струм допомагав зміні, можна було б отримати магнет, який самостійно прискорюється, і струм, що росте без обмежень з нічого, що порушувало б перший закон термодинаміки.

Чому ви відчуваєте опір при русі магніту через котушку

Закон Ленца саме пояснює, чому генерування електрики завжди потребує механічної роботи: згенерований струм протидіючие магнітне поле чинить реальну, вимірювану силу опору на те, що рухає магніт (або котушку), і ця сила є точною перетвореницею вашої механічної сили в електричну енергію, що передається в ланцюг. Генератор на ручці відчувається більш тугим, коли він забезпечує більший струм, саме з цієї причини – ви не просто обертаєте вал, ви боретесь із виниклим полем, яке збільшується разом із навантаженням.

Визначення струму за допомогою гальвометра

Гальвометр показує зміщення голки пропорційно струму, що проходить через його обмотку, що є безпосереднім візуальним вимірюванням закону Фарадея: тримайте магніт нерухомим і голка буде в стані нулю незалежно від сили поля, оскільки dΦ/dt = 0. Рухайте магніт швидше і голка відхилятиметься далі, оскільки швидша зміна створює більший ЕРС. Змініть напрямок руху та голка відхилиться у протилежному напрямку, що є прямим доказом закону Ленца, який обирає напрямок струму залежно від того, чи збільшується чи зменшується флуктуація.

Закон Фарадея: Принцип роботи генераторів та трансформаторів

Генератор електростанції є, по суті, більшою, постійно обертаючоюся версією тієї ж котушки та магніту: ротор з магнітами обертається всередині (або котушка обертається всередині фіксованого поля), безперервно змінюючи потік через стаціонарні витки і створюючи змінну напругу, коли кут θ проходить повне обертання в кожному циклі — що саме пояснює, чому мережева енергія є змістовною (AC) і не постійною (DC), а також встановлює її частоту (50 або 60 Гц) відповідно до швидкості обертання ротора.

Трансформатор використовує той самий закон в іншій геометрії: змінний струм у одній котушці створює змінний потік, який піднімається сусідньою котушкою з різною кількістю витків N, яка захоплює напругу, збільшену або зменшену в масштабі — відношення індукованих напруг дорівнює відношенню витків, що є основною причиною того, чому трансформатори можуть підвищувати напругу для передачі та знижувати її для домашнього використання.

Часті запитання

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Electromagnetic Induction і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.