UK 
EnglishТипова
Polski🧲 Електромагнітна індукція — закони Фарадея і Ленца
Інтерактивний закон Фарадея: магніт рухається в котушці, виникає ЕРС, гальванометр відхиляється, а сила Ленца протидіє руху. ε = −N·dΦ/dt.
Про електромагнітну індукцію
Електромагнітна індукція, відкрита Майклом Фарадеєм 1831 року, — це виникнення електрорушійної сили (ЕРС) у провіднику, що перебуває під дією змінного магнітного потоку. Закон Фарадея стверджує: ε = −dΦB/dt — індукована ЕРС дорівнює швидкості зміни магнітного потоку крізь контур, а знак «мінус» (закон Ленца) вказує, що індукований струм протидіє цій зміні. Цей принцип лежить в основі практично кожного електричного генератора, трансформатора та індукційного двигуна на Землі.
Ця симуляція показує анімацію магніту, що рухається крізь котушку, і демонструє, як швидкість руху та кількість витків котушки впливають на величину індукованої ЕРС. Ви також можете порівняти конфігурації генератора змінного струму та трансформатора, щоб побачити, як той самий принцип застосовується в різних інженерних контекстах.
Поширені запитання
Що таке закон Фарадея про індукцію?
Закон Фарадея стверджує, що індукована ЕРС у будь-якому замкненому контурі дорівнює від'ємній швидкості зміни магнітного потоку крізь нього: ε = −dΦB/dt. Для котушки з N витками ЕРС множиться: ε = −N dΦB/dt. Якщо потік змінюється зі швидкістю 1 Вб/с крізь котушку зі 100 витками, індукована ЕРС становить 100 В. Це єдине рівняння пояснює роботу генераторів, трансформаторів та індукційних плит.
Що таке закон Ленца?
Закон Ленца стверджує, що напрям індукованого струму завжди такий, що протидіє зміні потоку, яка його викликала. Якщо магніт наближається до котушки, індукований струм створює магнітне поле, яке відштовхує магніт; якщо магніт віддаляється, індуковане поле притягує його. Це наслідок закону збереження енергії: щоб підтримувати рух, потрібно виконати роботу проти сили протидії.
Як швидкість руху магніту впливає на індуковану ЕРС?
Подвоєння швидкості магніту подвоює швидкість зміни потоку (dΦB/dt), що подвоює індуковану ЕРС і відповідний струм. Потужність, що подається в котушку (P = ε²/R), тому зростає вчетверо. Саме тому генератори виробляють більше потужності на вищих обертах, а механічний крутний момент, потрібний для їх обертання, також зростає зі струмом навантаження.
Чому збільшення кількості витків котушки збільшує індуковану ЕРС?
Кожен виток котушки охоплює той самий змінний потік, тому кожен додає −dΦB/dt до загальної ЕРС. Для N витків, з'єднаних послідовно, ε = −N dΦB/dt. Котушка з 500 витками при тій самій зміні поля виробляє ЕРС у 500 разів більшу, ніж один виток. Це принцип роботи трансформаторів, де коефіцієнт витків задає коефіцієнт напруги.
У чому різниця між рухомою ЕРС і трансформаторною ЕРС?
Рухома ЕРС виникає, коли провідник рухається крізь статичне магнітне поле: вільні заряди в рухомому провіднику відчувають силу Лоренца qv × B, що створює струм. Трансформаторна ЕРС виникає, коли нерухомий провідник перебуває у змінному магнітному полі: змінне B безпосередньо індукує електричне поле згідно з законом Фарадея. Обидва явища описуються тією самою інтегральною формою закону Фарадея.
Як працює генератор змінного струму?
Генератор змінного струму (альтернатор) обертає котушку з N витками площею A з кутовою частотою ω в однорідному полі B. Потік дорівнює Φ = NBA cos(ωt), тому індукована ЕРС становить ε = NBAω sin(ωt) — синусоїдальна напруга з піковим значенням NBAω. Автомобільний генератор з N = 200 витків, A = 50 см², B = 0,5 Тл, ω = 1000 об/хв дає пікову ЕРС ≈ 52 В.
Що таке зворотна ЕРС в електродвигунах?
Коли двигун обертається, він також працює як генератор, виробляючи зворотну ЕРС, яка протидіє напрузі живлення. Результуючий струм дорівнює I = (V − εзвор)/R. При запуску зворотна ЕРС дорівнює нулю, тому струм дуже високий (саме тому двигунам потрібні пускові резистори або плавний пуск). На повній швидкості зворотна ЕРС ≈ V, і струм спадає до невеликого значення, потрібного лише для подолання тертя й навантаження.
Як електромагнітна індукція використовується в бездротовій зарядці?
Бездротові зарядні пристрої використовують індуктивний зв'язок: змінний струм у котушці передавача створює змінне в часі магнітне поле, яке індукує ЕРС у котушці приймача всередині пристрою. Стандарт Qi працює на частотах 87–205 кГц. На близькій відстані (кілька міліметрів) досяжна ефективність понад 85%. Резонансний зв'язок (WPT) може розширити дальність до десятків сантиметрів із подібною ефективністю.
Що таке взаємна індуктивність?
Взаємна індуктивність M визначає, скільки ЕРС індукується в котушці 2 на одиницю швидкості зміни струму в котушці 1: ε2 = −M dI1/dt. Одиниця виміру — генрі (Гн). Для двох котушок із власними індуктивностями L1 і L2 та коефіцієнтом зв'язку k, M = k√(L1L2). Ідеально зв'язаний (k = 1) трансформатор із M = 1 Гн індукує 1 В у вторинній обмотці на кожну зміну 1 А/с у первинному струмі.
Хто відкрив електромагнітну індукцію?
Майкл Фарадей зробив ключове відкриття в серпні 1831 року, продемонструвавши, що змінний струм в одній котушці індукує короткочасний струм у сусідній котушці. Він також показав, що рух магніту всередину й назовні котушки генерує струм. Джозеф Генрі незалежно відкрив взаємну індукцію в США приблизно в той самий час, але опублікував результати пізніше. Закон Фарадея пізніше був математично формалізований Джеймсом Клерком Максвеллом.