Zakon elektromagnetne indukcije apstrakt. Fenomen elektromagnetne indukcije. Magnetski fluks. Lenzovo pravilo. Zakon elektromagnetne indukcije

Fenomen elektromagnetne indukcije otkrio je izvanredni engleski fizičar M. Faraday 1831. godine. Sastoji se od pojave električne struje u zatvorenom provodnom kolu kada se magnetni tok koji prodire u kolo mijenja tokom vremena.
Magnetski fluks Φ kroz područje S kruga je veličina

Φ = B S cos α,

Gdje je B veličina vektora magnetske indukcije, α je ugao između vektora i normale na ravan konture (slika 4.20.1).

Slika 4.20.1.
Magnetni tok kroz zatvorenu petlju. Normalni smjer i odabrani pozitivni smjer prelaska konture povezani su desnim pravilom gimleta.
Definiciju magnetskog fluksa lako je generalizirati na slučaj neujednačenog magnetskog polja i neplanarnog kola. SI jedinica magnetskog fluksa naziva se weber (Wb). Magnetski tok jednak 1 Wb stvara magnetsko polje indukcijom od 1 T, prodire u normalnom smjeru u ravnu konturu površine 1 m2:

1 Wb = 1 T · 1 m2.

Faraday je eksperimentalno ustanovio da kada se magnetni tok promijeni u provodnom kolu, nastaje inducirana emf Eind, jednaka brzini promjene magnetskog fluksa kroz površinu ograničenu krugom, uzeta sa predznakom minus:

Iskustvo pokazuje da je indukcijska struja pobuđena u zatvorenoj petlji kada se magnetski tok promijeni uvijek usmjerena na takav način da magnetsko polje koje stvara sprječava promjenu magnetskog fluksa koji uzrokuje indukcijsku struju. Ova izjava se zove Lenzovo pravilo (1833).
Rice. 4.20.2 ilustruje Lenzovo pravilo koristeći primjer stacionarnog provodnog kola koje se nalazi u uniformnom magnetskom polju, čiji se modul indukcije povećava s vremenom.

Slika 4.20.2.
Ilustracija Lenzove vladavine. U ovom primjeru, ind< 0. Индукционный ток Iинд течет навстречу выбранному положительному направлению обхода контура.
Lenzovo pravilo odražava eksperimentalnu činjenicu da ind i uvijek imaju suprotne predznake (znak minus u Faradeyevoj formuli). Lenzovo pravilo ima duboko fizičko značenje - izražava zakon održanja energije.
Promjena magnetskog fluksa koji prodire u zatvoreni krug može se dogoditi iz dva razloga.
1. Magnetski fluks se mijenja zbog kretanja kola ili njegovih dijelova u vremenski konstantnom magnetskom polju. To je slučaj kada se provodnici, a s njima i slobodni nosioci naboja, kreću u magnetskom polju. Pojava inducirane emf objašnjava se djelovanjem Lorentzove sile na slobodna naelektrisanja u pokretnim provodnicima. Lorentzova sila u ovom slučaju igra ulogu vanjske sile.
Razmotrimo, kao primjer, pojavu inducirane emf u pravokutnom kolu smještenom u jednolično magnetsko polje okomito na ravan kola. Neka jedna od stranica konture dužine l klizi brzinom duž druge dvije strane (slika 4.20.3).

Slika 4.20.3.
Pojava indukovane emf u pokretnom provodniku. Naznačena je komponenta Lorentzove sile koja djeluje na slobodni elektron.
Lorentzova sila djeluje na slobodne naboje u ovom dijelu kruga. Jedna od komponenti ove sile, povezana sa brzinom prijenosa naelektrisanja, usmjerena je duž vodiča. Ova komponenta je prikazana na sl. 4.20.3. Ona igra ulogu spoljne sile. Njegov modul je jednak

Rad koji izvrši sila FL na putu l je jednak

A = FL · l = eυBl.

Prema definiciji EMF

U ostalim stacionarnim dijelovima kola, vanjska sila je nula. Omjer za ind se može dati uobičajenom obliku. Tokom vremena Δt, površina konture se mijenja za ΔS = lυΔt. Promjena magnetnog fluksa tokom ovog vremena jednaka je ΔΦ = BlυΔt. dakle,

Da bi se uspostavio predznak u formuli koja povezuje ind i potrebno je odabrati normalni smjer i pozitivan smjer prelaska konture koji su međusobno konzistentni prema pravilu desnog gimleta, kao što je učinjeno na sl. 4.20.1 i 4.20.2. Ako se to učini, onda je lako doći do Faradejeve formule.
Ako je otpor cijelog kruga jednak R, tada će kroz njega teći indukcijska struja jednaka Iind = ind/R. Tokom vremena Δt, džulova toplota će se osloboditi na otporu R (vidi § 4.11)

Postavlja se pitanje odakle ta energija, pošto Lorentzova sila ne radi! Ovaj paradoks je nastao jer smo uzeli u obzir rad samo jedne komponente Lorentzove sile. Kada indukcijska struja teče kroz provodnik koji se nalazi u magnetskom polju, druga komponenta Lorentzove sile, povezana s relativnom brzinom kretanja naboja duž vodiča, djeluje na slobodna naelektrisanja. Ova komponenta je odgovorna za pojavu amperske sile. Za slučaj prikazan na sl. 4.20.3, modul amperske sile je FA = IBl. Amperova sila je usmjerena prema kretanju provodnika; stoga vrši negativan mehanički rad. Za vrijeme Δt ovaj rad Amech je jednak

Provodnik koji se kreće u magnetskom polju kroz koje protiče indukovana struja doživljava magnetno kočenje. Ukupan rad koji izvrši Lorentzova sila je nula. Joule toplina u krugu se oslobađa ili zbog rada vanjske sile, koja održava brzinu vodiča nepromijenjenom, ili zbog smanjenja kinetičke energije vodiča.
2. Drugi razlog za promjenu magnetskog fluksa koji prodire u kolo je promjena vremena magnetskog polja kada je kolo nepomično. U ovom slučaju se pojava inducirane emf više ne može objasniti djelovanjem Lorentzove sile. Elektrone u nepokretnom provodniku može pokretati samo električno polje. Ovo električno polje stvara magnetsko polje koje se mijenja u vremenu. Rad ovog polja pri kretanju jednog pozitivnog naboja duž zatvorenog kola jednak je induciranoj emf u nepokretnom vodiču. Stoga, električno polje koje stvara promjenjivo magnetsko polje nije potencijalno. Zove se vrtložno električno polje. Koncept vrtložnog električnog polja u fiziku je uveo veliki engleski fizičar J. Maxwell (1861).
Fenomen elektromagnetne indukcije u stacionarnim provodnicima, koji se javlja kada se okolno magnetsko polje mijenja, također je opisan Faradejevom formulom. Dakle, pojave indukcije u pokretnim i nepokretnim provodnicima se odvijaju na isti način, ali se fizički uzrok nastanka inducirane struje u ova dva slučaja pokazuje drugačijim: u slučaju pokretnih vodiča, indukcijska emf je posljedica Lorencovoj sili; u slučaju stacionarnih vodiča, inducirana emf je posljedica djelovanja na slobodna naelektrisanja vrtložnog električnog polja koje nastaje pri promjeni magnetnog polja.

Svrha lekcije: formulirati koncept o indukcijskoj struji, razviti sposobnost određivanja smjera indukcijske struje koristeći Lenzovo pravilo.

Tokom nastave

Provjera domaćeg

- Kako je M. Faraday otkrio fenomen elektromagnetne indukcije?

Pokažite Faradejeve eksperimente o otkrivanju elektromagnetne indukcije.

Izvedite zaključke i objasnite o kakvoj se pojavi radi - o elektromagnetnoj indukciji?

Što određuje veličinu indukcijske struje u kolu?

Šta je magnetni fluks?

Napravite crtež na ploči i izvedite formulu za izračunavanje magnetnog fluksa.

Učenje novog gradiva

Ako je galvanometar spojen na zavojnicu u kojoj može doći do inducirane struje, primijetit ćete da strelica odstupa u različitim smjerovima ovisno o tome da li se magnet približava ili udaljava od zavojnice; Odstupanje igle galvanometra zavisi i od pola magneta.

To znači da indukcijska struja mijenja svoj smjer. Zavojnica u kojoj teče struja je poput magneta sa južnim i sjevernim polom. Možete predvidjeti kada će zavojnica privući magnet, a kada će ga odbiti.

Interakcija magneta s indukcijskom strujom.

Da bi se magnet i kalem spojili, mora se obaviti posao. Budući da kada se magnet približi zavojnici, na najbližem kraju zavojnice pojavljuje se istoimeni pol, magnet i zavojnica se međusobno odbijaju. Ako bi bili privučeni, onda bi se prekršio zakon održanja energije. Dokažite ovu poziciju. Potvrdite zaključak pomoću uređaja prikazanog na slici. Možete jasno vidjeti kako će se magnet, kada se približi zatvorenom prstenu, odbiti od magneta. Kada se magnet ukloni iz prstena, počinje ga privlačiti magnet.

Presečenom prstenu se ništa ne dešava jer se u njemu ne stvara indukovana struja.

Da li magnet odbija ili privlači zavojnicu ovisi o smjeru indukcijske struje.

Na osnovu zakona održanja energije dobili smo pravilo koje nam omogućava da odredimo smjer indukcijske struje.

Na prvoj slici vidimo da kako se magnet približava zavojnici, magnetski fluks koji prodire u zavoje zavojnice raste, au drugom slučaju opada.

Na prvoj slici novonastale indukcijske linije izlaze iz gornjeg kraja zavojnice (zavojnica odbija magnet), na drugoj slici je obrnuto.

Lenzovo pravilo. Inducirana struja koja nastaje u zatvorenom kolu sa svojim magnetskim poljem suprotstavlja promjenu magnetskog fluksa koji to uzrokuje.

Konsolidacija proučenog materijala.

Kako odrediti smjer indukcijske struje?

Šta će se dogoditi u prstenu kada se u njega umetne magnet, ako je prsten napravljen od: a) ne provodnika;

B) provodnik; c) superprovodnik?

Elektromagnetna indukcija- ovo je pojava koja se sastoji u pojavi električne struje u zatvorenom vodiču kao rezultat promjene magnetskog polja u kojem se nalazi. Ovaj fenomen je otkrio engleski fizičar M. Faraday 1831. godine. Njegova suština se može objasniti nekoliko jednostavnih eksperimenata.

Opisano u Faradejevim eksperimentima princip dobijanja naizmenične struje koristi se u indukcijskim generatorima koji proizvode električnu energiju u termo ili hidroelektranama. Otpor rotaciji rotora generatora, koji nastaje kada indukcijska struja stupi u interakciju s magnetskim poljem, prevladava se radom parne ili hidraulične turbine koja rotira rotor. Takvi generatori pretvaraju mehaničku energiju u električnu energiju .

Vrtložne struje ili Foucaultove struje

Ako se masivni provodnik stavi u naizmjenično magnetsko polje, tada u tom vodiču, zbog fenomena elektromagnetne indukcije, nastaju vrtložne inducirane struje tzv. Foucaultove struje.

Vrtložne struje također nastaju kada se masivni provodnik kreće u konstantnom, ali prostorno nehomogenom magnetnom polju. Foucaultove struje imaju takav smjer da sila koja djeluje na njih u magnetskom polju inhibira kretanje vodiča. Klatno u obliku čvrste metalne ploče napravljene od nemagnetnog materijala, koje oscilira između polova elektromagneta, naglo se zaustavlja kada se magnetsko polje uključi.

U mnogim slučajevima, zagrijavanje uzrokovano Foucaultovim strujama pokazuje se štetnim i s njim se treba pozabaviti. Jezgra transformatora i rotori elektromotora izrađeni su od zasebnih željeznih ploča, odvojenih slojevima izolatora koji sprječavaju razvoj velikih indukcijskih struja, a same ploče su izrađene od legura visoke otpornosti.

Elektromagnetno polje

Električno polje koje stvaraju stacionarna naelektrisanja je statičko i djeluje na naboje. Jednosmjerna struja uzrokuje pojavu vremenski konstantnog magnetskog polja koje djeluje na pokretne naboje i struje. Električno i magnetsko polje u ovom slučaju postoje nezavisno jedno od drugog.

Fenomen elektromagnetna indukcija pokazuje interakciju ovih polja uočenu u supstancama koje imaju slobodna naelektrisanja, odnosno u provodnicima. Izmjenično magnetsko polje stvara naizmjenično električno polje, koje, djelujući na slobodna naelektrisanja, stvara električnu struju. Ova struja, budući da je naizmjenična, zauzvrat stvara naizmjenično magnetno polje, koje stvara električno polje u istom vodiču, itd.

Skup naizmjeničnih električnih i naizmjeničnih magnetnih polja koji generiraju jedno drugo naziva se elektromagnetno polje. Može postojati u mediju u kojem nema slobodnih naelektrisanja, a širi se u svemiru u obliku elektromagnetnog talasa.

Classical elektrodinamika- jedno od najvećih dostignuća ljudskog uma. Imala je ogroman uticaj na kasniji razvoj ljudske civilizacije predviđajući postojanje elektromagnetnih talasa. To je kasnije dovelo do stvaranja radija, televizije, telekomunikacionih sistema, satelitske navigacije, kao i kompjutera, industrijskih i kućnih robota i drugih atributa savremenog života.

kamen temeljac Maxwellove teorije Navedeno je da izvor magnetnog polja može biti samo naizmjenično električno polje, kao što je izvor električnog polja koje stvara indukcijsku struju u provodniku naizmjenično magnetsko polje. Prisustvo provodnika nije neophodno - električno polje nastaje i u praznom prostoru. Naizmjenične linije električnog polja, slične linijama magnetnog polja, su zatvorene. Električno i magnetsko polje elektromagnetnog talasa su jednake.

Elektromagnetna indukcija u dijagramima i tabelama

U ovoj lekciji, čija je tema: „Lenzovo pravilo. Zakon elektromagnetne indukcije“, saznajemo opšte pravilo koje nam omogućava da odredimo smer indukovane struje u kolu, koje je 1833. ustanovio E.X. Lenz. Također ćemo razmotriti eksperiment s aluminijskim prstenovima, koji jasno demonstrira ovo pravilo, i formulirati zakon elektromagnetne indukcije

Približavanjem magneta čvrstom prstenu ili udaljavanjem od njega, mijenjamo magnetni tok koji prodire u područje prstena. Prema teoriji fenomena elektromagnetne indukcije, induktivna električna struja bi trebala nastati u prstenu. Iz Ampereovih eksperimenata je poznato da tamo gdje struja prolazi, nastaje magnetno polje. Shodno tome, zatvoreni prsten počinje da se ponaša kao magnet. Odnosno, postoji interakcija između dva magneta (trajni magnet koji pomičemo i zatvoreno kolo sa strujom).

Pošto sistem nije reagovao na približavanje magneta prstenu sa rezom, možemo zaključiti da indukovana struja ne nastaje u otvorenom kolu.

Razlozi odbijanja ili privlačenja prstena na magnet

1. Kada se magnet približi

Kako se pol magneta približava, prsten se odbija od njega. Odnosno, ponaša se kao magnet, koji na našoj strani ima isti pol kao magnet koji se približava. Ako približimo sjeverni pol magneta, tada je vektor magnetske indukcije prstena sa indukovanom strujom usmjeren u suprotnom smjeru u odnosu na vektor magnetske indukcije sjevernog pola magneta (vidi sliku 2).

Rice. 2. Približavanje magneta prstenu

2. Prilikom skidanja magneta sa prstena

Kada se magnet ukloni, prsten se povlači iza njega. Posljedično, na strani magneta koji se povlači, na prstenu se formira suprotni pol. Vektor magnetne indukcije strujnog prstena je usmjeren u istom smjeru kao i vektor magnetske indukcije opadajućeg magneta (vidi sliku 3).

Rice. 3. Uklanjanje magneta iz prstena

Iz ovog eksperimenta možemo zaključiti da kada se magnet kreće, prsten se također ponaša kao magnet, čiji polaritet ovisi o tome povećava li se ili smanjuje magnetni tok koji prodire u područje prstena. Ako se fluks poveća, tada su vektori magnetske indukcije prstena i magneta suprotni u smjeru. Ako se magnetski tok kroz prsten s vremenom smanjuje, tada se vektor indukcije magnetskog polja prstena poklapa u smjeru s vektorom indukcije magneta.

Smjer inducirane struje u prstenu može se odrediti pravilom desne ruke. Ako uperite palac svoje desne ruke u smjeru vektora magnetske indukcije, tada će četiri savijena prsta pokazati smjer struje u prstenu (vidi sliku 4).

Rice. 4. Pravilo desne ruke

Kada se magnetski tok koji prodire u kolo promijeni, inducirana struja se pojavljuje u krugu u takvom smjeru da njen magnetni tok kompenzira promjenu vanjskog magnetskog fluksa.

Ako se vanjski magnetni tok poveća, onda inducirana struja svojim magnetskim poljem teži da uspori ovo povećanje. Ako se magnetski tok smanji, onda inducirana struja sa svojim magnetskim poljem teži da uspori ovo smanjenje.

Ova karakteristika elektromagnetne indukcije izražena je predznakom minus u formuli inducirane emf.

Zakon elektromagnetne indukcije

Kada se vanjski magnetni tok koji prodire u kolo promijeni, u kolu se pojavljuje inducirana struja. U ovom slučaju, vrijednost elektromotorne sile je numerički jednaka brzini promjene magnetskog fluksa, uzeta sa znakom "-".

Lenzovo pravilo je posledica zakona održanja energije u elektromagnetnim pojavama.

Bibliografija

1. Myakishev G.Ya. Fizika: Udžbenik. za 11. razred opšte obrazovanje institucije. - M.: Obrazovanje, 2010.
2. Kasyanov V.A. fizika. 11. razred: Obrazovni. za opšte obrazovanje institucije. - M.: Drfa, 2005.
3. Gendenstein L.E., Dick Yu.I., Physics 11. - M.: Mnemosyne.

Zadaća

1. Pitanja na kraju paragrafa 10 (str. 33) - Myakishev G.Ya. Fizika 11 (pogledajte listu preporučene literature)
2. Kako je formulisan zakon elektromagnetne indukcije?
3. Zašto postoji znak "-" u formuli za zakon elektromagnetne indukcije?

1. Internet portal Festival.1september.ru ().
2. Internet portal Physics.kgsu.ru ().
3. Internet portal Youtube.com ().

ZAKON ELEKTROMAGNETNE INDUKCIJE. LENZOVO PRAVILO
Godine 1831. engleski fizičar M. Faraday je u svojim eksperimentima otkrio fenomen elektromagnetne indukcije. Zatim je ruski naučnik E.Kh. proučavao ovaj fenomen. Lenz i B. S. Jacobi.
Trenutno se mnogi uređaji zasnivaju na fenomenu elektromagnetne indukcije, na primjer u motoru ili generatoru električne struje, u transformatorima, radio prijemnicima i mnogim drugim uređajima.
Elektromagnetna indukcija je fenomen pojave struje u zatvorenom vodiču kada magnetski tok prolazi kroz njega.
To jest, zahvaljujući ovom fenomenu možemo pretvoriti mehaničku energiju u električnu energiju. Prije otkrića ovog fenomena, ljudi nisu znali za druge metode proizvodnje električne struje osim galvanizacije.
Kada je provodnik izložen magnetskom polju, u njemu nastaje emf, koji se kvantitativno može izraziti kroz zakon elektromagnetne indukcije.
Zakon elektromagnetne indukcije
Elektromotorna sila inducirana u provodnom kolu jednaka je brzini promjene magnetskog fluksa koji se spaja na to kolo.

U zavojnici koja ima nekoliko zavoja, ukupna emf zavisi od broja zavoja n:

EMF pobuđen u kolu stvara struju. Najjednostavniji primjer pojave struje u vodiču je zavojnica kroz koju prolazi trajni magnet. Smjer inducirane struje može se odrediti pomoću Lenzovog pravila.

Lenzovo pravilo
Struja izazvana promjenom magnetnog polja koja prolazi kroz kolo sprječava ovu promjenu svojim magnetnim poljem.

U slučaju kada u zavojnicu uvedemo magnet, magnetni tok u kolu se povećava, što znači da je magnetsko polje koje stvara indukovana struja, prema Lenzovom pravilu, usmjereno protiv povećanja magnetnog polja. Da biste odredili smjer struje, morate pogledati magnet sa sjevernog pola. Iz ove pozicije zašrafićemo gimlet u smjeru magnetskog polja struje, odnosno prema sjevernom polu. Struja će se kretati u smjeru rotacije gimleta, odnosno u smjeru kazaljke na satu.
U slučaju kada uklonimo magnet sa zavojnice, magnetni tok u kolu se smanjuje, što znači da je magnetsko polje stvoreno indukovanom strujom usmjereno protiv smanjenja polja magneta. Da biste odredili smjer struje, morate odvrnuti gimlet; smjer rotacije gimleta pokazat će smjer struje u vodiču - u smjeru suprotnom od kazaljke na satu.
Električni generator je uređaj u kojem se neelektrične vrste energije (mehanička, kemijska, toplinska) pretvaraju u električnu energiju.
Klasifikacija elektromehaničkih generatora
Po vrsti tegljača:
Turbogenerator - električni generator koji pokreće parna turbina ili gasnoturbinski motor;
Hidrogenerator - električni generator koji pokreće hidraulična turbina;
Dizel generator - električni generator koji pokreće dizel motor;
Vjetrogenerator - električni generator koji pretvara kinetičku energiju vjetra u električnu;
Prema vrsti izlazne električne struje
Trofazni generator sa zvezdastim namotajima
Sa uključenim trokutastim namotajima
Prema načinu ekscitacije
Uzbuđen trajnim magnetima
Sa eksternom pobudom
Samouzbuđen
Sa sekvencijalnim pobuđivanjem
Sa paralelnom ekscitacijom
Sa pomešanim uzbuđenjem
Po principu rada generatori mogu biti sinhroni i asinhroni.
Asinhroni generatori su konstrukcijski jednostavni i jeftini za proizvodnju, te su otporniji na struje kratkog spoja i preopterećenja. Asinhroni električni generator idealan je za napajanje aktivnih opterećenja: žarulje sa žarnom niti, električni grijači, elektronika, električni gorionici, itd. Ali čak i kratkotrajno preopterećenje je za njih neprihvatljivo, stoga pri povezivanju elektromotora, neelektronskih aparata za zavarivanje, električnih alata i drugih induktivnih opterećenja, rezerva snage treba biti najmanje tri puta, a najbolje četiri puta.
Sinhroni generator je savršen za induktivne potrošače s visokim startnim strujama. Sposobni su izdržati petostruko strujno preopterećenje u trajanju od jedne sekunde.
Princip rada strujnog generatora
Generator radi na osnovu Faradejevog zakona elektromagnetne indukcije – elektromotorna sila (EMF) se indukuje u pravougaonoj petlji (žičani okvir) koja se okreće u jednoličnom magnetskom polju.
EMF se također javlja u stacionarnom pravokutnom okviru ako se u njemu rotira magnet.
Najjednostavniji generator je pravougaoni okvir postavljen između 2 magneta sa različitim polovima. Za uklanjanje napona sa rotirajućeg okvira koriste se klizni prstenovi.

Autogenerator se sastoji od kućišta i dva poklopca sa otvorima za ventilaciju. Rotor se okreće u 2 ležaja i pokreće ga remenica. U svojoj srži, rotor je elektromagnet koji se sastoji od jednog namotaja. Struja se na njega dovodi pomoću dva bakrena prstena i grafitnih četkica, koje su spojene na elektronski relejni kontroler. On je odgovoran za osiguravanje da napon koji dovodi generator uvijek bude unutar dopuštenih granica od 12 Volti s dozvoljenim odstupanjima i da ne ovisi o brzini rotacije remenice. Regulator releja može biti ugrađen u kućište generatora ili smješten izvan njega.
Stator se sastoji od tri bakrena namotaja međusobno povezana u trokut. Na njihove priključne tačke spojen je ispravljački most od 6 poluvodičkih dioda, koje pretvaraju napon iz AC u DC.
Benzinski električni generator sastoji se od motora i strujnog generatora koji ga direktno pokreće, koji može biti sinhroni ili asinhroni.
Motor je opremljen sistemima: startovanje, ubrizgavanje goriva, hlađenje, podmazivanje, stabilizacija brzine. Vibracije i buku apsorbuju prigušivač, prigušivači vibracija i amortizeri.
Naizmjenična električna struja
Elektromagnetne vibracije, poput mehaničkih, su dvije vrste: slobodne i prisilne.
Slobodne elektromagnetne oscilacije, uvijek prigušene oscilacije. Stoga se u praksi gotovo nikada ne koriste. Dok se prisilne vibracije koriste svuda i svuda. Svakog dana ti i ja možemo posmatrati ove fluktuacije.
Svi naši stanovi su osvijetljeni naizmjeničnom strujom. Naizmjenična struja nije ništa drugo do prisilne elektromagnetne oscilacije. Struja i napon će se vremenom mijenjati prema harmonijskom zakonu. Na primjer, fluktuacije napona mogu se otkriti primjenom napona od utičnice do osciloskopa.
Na ekranu osciloskopa će se pojaviti sinusni val. Može se izračunati frekvencija naizmjenične struje. Ona će biti jednaka frekvenciji elektromagnetnih oscilacija. Pretpostavlja se da je standardna frekvencija industrijske naizmjenične struje 50 Hz. To jest, u 1 sekundi smjer struje u utičnici se mijenja 50 puta. Američke industrijske mreže koriste frekvenciju od 60 Hz.
Promjena napona na krajevima kola će uzrokovati promjenu jačine struje u krugu oscilatornog kola. Treba ipak shvatiti da se promjena električnog polja u cijelom krugu ne događa trenutno.
Ali budući da je ovo vrijeme znatno manje od perioda oscilacije napona na krajevima kola, obično se vjeruje da se električno polje u kolu odmah mijenja kako se mijenja napon na krajevima kola.
Izmjenični napon u utičnici stvaraju generatori u elektranama. Najjednostavniji generator se može smatrati žičanim okvirom koji se rotira u jednoličnom magnetskom polju.
Magnetski fluks koji prodire u kolo stalno će se mijenjati i bit će proporcionalan kosinsu ugla između vektora magnetske indukcije i normale na okvir. Ako se okvir ravnomjerno rotira, ugao će biti proporcionalan vremenu.
Posljedično, magnetski fluks će se mijenjati prema harmonijskom zakonu:
F = B*S*cos(ω*t)
Brzina promjene magnetskog fluksa, uzeta sa suprotnim predznakom, prema EMR zakonu, bit će jednaka indukovanoj emf.
Ei = -F’ = Em*sin(ω*t).
Ako je oscilatorno kolo spojeno na okvir, kutna brzina rotacije okvira će odrediti učestalost oscilacija napona u različitim dijelovima kola i jačinu struje. U nastavku ćemo razmatrati samo prisilne elektromagnetne oscilacije.
Oni su opisani sljedećim formulama:
u = Um*sin(ω*t),
u = Um*cos(ω*t)
Ovdje je Um amplituda fluktuacija napona. Napon i struja se mijenjaju sa istom frekvencijom ω. Ali fluktuacije napona neće se uvijek podudarati sa strujnim fluktuacijama, pa je bolje koristiti općenitiju formulu:
I = Im*sin(ω*t +φ), gdje je Im amplituda strujnih fluktuacija, a φ je fazni pomak između fluktuacija struje i napona.
Parametri izmjenične struje i napona
Veličina naizmjenične struje, kao i napon, stalno se mijenja tokom vremena. Kvantitativni indikatori za mjerenja i proračune koriste sljedeće parametre:

Period T je vrijeme tokom kojeg se jedan potpuni ciklus promjene struje javlja u oba smjera u odnosu na nulu ili prosječnu vrijednost.
Frekvencija f je recipročna vrijednost perioda, jednaka broju perioda u jednoj sekundi. Jedan period u sekundi je jedan herc (1 Hz)
f = 1/T
Ciklična frekvencija ω - ugaona frekvencija jednaka broju perioda u 2π sekundi.

ω = 2πf = 2π/T
Obično se koristi u proračunima sinusoidne struje i napona. Zatim, unutar perioda, ne može se uzeti u obzir frekvencija i vrijeme, već se vrše proračuni u radijanima ili stepenima. T = 2π = 360°
Početna faza ψ je vrijednost ugla od nule (ωt = 0) do početka perioda. Mjereno u radijanima ili stepenima. Prikazano na slici za plavi sinusoidalni strujni graf.Inicijalna faza može biti pozitivna ili negativna vrijednost, odnosno desno ili lijevo od nule na grafikonu.
Trenutna vrijednost - vrijednost napona ili struje mjerena u odnosu na nulu u bilo kojem odabranom trenutku t.
i = i(t); u = u(t)
Niz svih trenutnih vrijednosti u bilo kojem vremenskom intervalu može se smatrati funkcijom promjene struje ili napona tokom vremena. Na primjer, sinusoidna struja ili napon može se izraziti funkcijom:
i = Iampsin(ωt); u = Uampsin(ωt)
Uzimajući u obzir početnu fazu:
i = Iampsin(ωt + ψ); u = Uampsin(ωt + ψ)
Ovdje su Iamp i Uamp vrijednosti amplitude struje i napona.
Vrijednost amplitude je maksimalna apsolutna trenutna vrijednost za period.
Iamp = max|i(t)|; Uamp = max|u(t)|
Može biti pozitivan ili negativan u zavisnosti od položaja u odnosu na nulu. Često se umjesto vrijednosti amplitude koristi termin strujna (naponska) amplituda - maksimalno odstupanje od nulte vrijednosti.
D/z
Izvještaj na temu (po izboru učenika)
Proizvodnja i prijenos električne energije
Transformer. Prijenos električne energije na daljinu
Ušteda energije u svakodnevnom životuPrvi eksperimenti u prenošenju električne energije na daljinu Efikasnost transformatora. Projektovanje i radUpotreba električne energijeTurbogenerator. Dizajn i rad
Hidrogenerator. Dizajn i rad
Dizel generator. Dizajn i rad
Vjetrogenerator. Dizajn i rad
Problemi koje treba riješiti samostalno
Faradejev zakon EM indukcije.
1. Magnetni fluks unutar zavojnice s brojem zavoja jednakim 400 promijenio se sa 0,1 Wb na 0,9 Wb za 0,2 s. Odrediti emf indukovanu u zavojnici.
2. Odrediti magnetni fluks koji prolazi kroz pravougaoni prostor sa stranicama 20x40 cm, ako se stavi u jednolično magnetno polje sa indukcijom od 5 Tesla pod uglom od 60° u odnosu na linije magnetne indukcije polja.
3. Koliko zavoja treba da ima zavojnica da kada se magnetni tok unutar njega promijeni od 0,024 do 0,056 Wb za 0,32 s, u njemu se stvori prosječna emf. 10 V?
Indukciona emf u pokretnim provodnicima.
1. Odrediti indukovanu emf na krajevima krila aviona An-2, dužine 12,4 m, ako je brzina aviona u horizontalnom letu 180 km/h, a vertikalna komponenta vektora indukcije Zemljino magnetno polje je 0,5·10-4 T.
2. Naći indukovanu emf na krilima aviona Tu-204, dužine 42 m, koji leti horizontalno brzinom od 850 km/h, ako je vertikalna komponenta vektora indukcije Zemljinog magnetnog polja 5· 10-5 T.
Samoindukovana emf
1. Magnetni fluks od 0,015 Wb pojavljuje se u zavojnici kada kroz njegove zavoje prođe struja od 5,0 A. Koliko zavoja ima zavojnica ako je njegova induktivnost 60 mH?
2. Koliko će se puta promijeniti induktivnost zavojnice bez jezgre ako se udvostruči broj zavoja u njemu?
3. Šta je e.m.f. samoindukcija će se dogoditi u zavojnici s induktivnošću od 68 mH ako u njoj nestane struja od 3,8 A za 0,012 s?
4. Odrediti induktivnost zavojnice ako se, kada struja u njemu oslabi za 2,8 A, pojavi prosječna emf u zavojnici za 62 ms. samoindukcija 14 V.
5. Koliko je potrebno zavojnici sa induktivnošću od 240 mH da poveća struju sa nule na 11,4 A, ako se pojavi prosječna emf? samoindukcija 30 V?
Energija elektromagnetnog polja
1. Kroz zavojnicu teče struja od 20 A induktiviteta 0,6 H. Kolika je energija magnetnog polja zavojnice? Kako će se ova energija promijeniti kada se struja poveća za faktor 2? 3 puta?
2. Kolika struja mora proći kroz namotaj induktora induktivnosti 0,5 H da bi energija polja bila jednaka 100 J?
3. Energija magnetnog polja kog namotaja je veća i za koliko puta, ako prvi ima karakteristike: I1=10A, L1=20 H, drugi: I2=20A, L2=10 H?
4. Odrediti energiju magnetnog polja zavojnice u kojoj je, pri struji od 7,5 A, magnetni fluks 2,3·10-3 Wb. Broj zavoja u zavojnici je 120.
5. Odredite induktivnost zavojnice ako pri struji od 6,2 A njegovo magnetsko polje ima energiju 0,32 J.
6. Magnetno polje zavojnice induktivnosti 95 mH ima energiju 0,19 J. Kolika je jačina struje u zavojnici?