5. Закон электромагнитной индукции.

Мы знаем, что с помощью электрического тока можно получить магнитное поле. Тогда возникает законный вопрос: а нельзя ли наоборот: из магнитного поля получить электрический ток?

Великий английский учёный М.Фарадей, проделав множество опытов, доказал, что действительно можно из магнитного поля получить электрический ток. Он брал катушку, намотанную изолированным проводом и соединил её с чувствительным амперметром. Затем он брал постоянный магнит и вводил его в катушку. В момент введения амперметр показывал слабый ток. Когда он выводил магнит из катушки, то амперметр также показывал ток, но ток имел обратное направление.На этом шуточном рисунке изображён этот опыт. Но когда магнит в катушке был неподвижен – то амперметр тока не обнаруживал. Фарадей пришёл к выводу, что для того, чтобы из магнитного поля получить электрический ток, магнит должен двигаться, т.е магнитное поле в катушке должно изменяться. Если магнитное поле в катушке никак не изменяется, то ток в катушке не появляется.

Дальнейшие опыты позволили сделать более общий вывод. Для этого рассмотрим не всю катушку, а только один её виток, так называемый проводящий контур. Рассмотрим, какими способами можно в этом контуре вызвать электрический ток с помощью магнитного поля.

Здесь рассмотрены все три случая, при которых в контуре возникает электрический ток. В первом случае изменяется индукция внешнего магнитного поля, во втором случае изменяется площадь контура путём его механической деформации, а в третьем случае изменяется ориентация контура путём его вращения относительно оси, перпендикулярной силовым линиям внешнего магнитного поля. Следует отметить, что во всех этих трёх случаях изменяетсяодна и та же физическая величина.Какая?

Данной величиной служит магнитный поток (Ф)

Ф = ВScos 

Здесь В – индукция магнитного поля (тесла) (Тл);

S– площадь контура (м²)

угол между силовой линией магнитного поля и нормалью к плоскости

контура;

Тогда Ф– магнитный поток. Единица его измерения его –вебер. (Вб).

Тогда закон электромагнитной индукции запишется так:

E = - (Ф/t)

То есть:ЭДС индукции, наводимая в контуре, равна скорости изменения магнитного потока в данном контуре.

Это физическое явление в жизни применяется очень широко. Генератор электрического тока как раз и использует это явление. Работа динамического микрофона, воспроизводящей головки магнитофона, различные индукционные датчики движений и колебаний также работают на принципе электромагнитной индукции. Рассмотрим более подробно работу генератора переменного тока.

Мы теперь знаем, что из магнитного поля можно получить электрический ток и даже знаем, какими способами это можно сделать. Самое замечательное в этом явлении то, что здесь мы можем механическую работу превратить в электрическую энергию.Иными словами, мы можем на этом принципе построитьгенератор электрического тока. Для этого нам нужно взять мощное магнитное поле и в нём вращать рамку. По закону электромагнитной индукции, в ней и будет наводиться электрический ток. Попробуем проверить это теоретически.

Если в магнитном поле вращается рамка с площадьюS, то магнитный поток через неё изменяется по гармоническому закону:

Ф = Фocost = BScost

Но, поскольку ЭДС в контуре равна скорости изменения магнитного потока Ф,

то найдём производную от магнитного потока по времени:

E = BSsin t = Emsin t

Учитывая, что ток проходит по внешней цепи, имеющей сопротивление R, то

I = E/R I = Imsin t

Значит ток в такой рамке, вращающейся в однородном магнитном поле будет изменяться по синусоидальному закону. Можно и вращать магнит относительно катушки:

На этом рисунке показан простейший генератор переменного тока. Техники его называют генератором типа «проще некуда».

Реальные же генераторы устроены гораздо сложнее. У них в статоре не одна катушка, а несколько. Все современные генераторы, питающие нашу электросеть должны вырабатывать строго одинаковую частоту – 50 Герц, то есть 50 периодов в секунду. Большинство стран используют именно эту частоту(кроме США, которые используют частоту 60 Гц)

Мы знаем, что химические источники тока выдают постоянный ток. Все радиоэлектронные устройства для своей работы используют именно постоянный ток. Электронагревательным и осветительным приборам всё равно, постоянный ток или переменный. Так почему все электростанции выдают именно переменный ток? В чём его преимущества?