Перейти к содержанию

Электромагнитная индукция

AP Физика C: Электричество и магнетизм · Тема 13

Видеоурок по этой теме Открыть страницу видео
9:11

Электромагнитная индукция

Почти каждый ватт электроэнергии, которую вы когда-либо использовали, начинался одинаково: с магнита и катушки провода, движущихся друг относительно друга. Нет топлива, нет горения: только…

Английское озвучивание · Английский + китайские субтитры (встроенные)

13.1

Магнитный поток

Программа

Цель обучения 13.1.A: Описать магнитный поток через произвольную площадь или геометрическую фигуру.

  • 13.1.A.1 Для магнитного поля $\vec{B}$, постоянного по площади $\vec{A}$, магнитный поток через эту площадь определяется как $\Phi_B = \vec{B} \cdot \vec{A}$ .
    • 13.1.A.1.i Вектор площади определяется как перпендикулярный плоскости поверхности и направленный наружу от замкнутой поверхности.
    • 13.1.A.1.ii Знак потока определяется скалярным произведением вектора магнитного поля и вектора площади.
  • 13.1.A.2 Общий магнитный поток, проходящий через поверхность, определяется поверхностным интегралом магнитного поля по площади поверхности.
    • Уравнение: $\Phi_B = \displaystyle\int \vec{B} \cdot d\vec{A}$

Источник: Описание курса и экзамена College Board AP

Магнитный поток измеряет, сколько магнитного поля проходит через поверхность. Для однородного поля через плоский контур это скалярное произведение $\Phi_B=\vec{B}\cdot\vec{A}=BA\cos\theta$; в общем случае это поверхностный интеграл

$$\Phi_B=\int \vec{B}\cdot d\vec{A}.$$

Вектор площади перпендикулярен поверхности (направлен наружу от замкнутой), а знак потока определяется скалярным произведением. Поток меняется, если $B$ изменяется, площадь меняется или контор поворачивается — имейте все три варианта в виду, так как каждый из них может стать предметом экзаменационного вопроса.

English Русский
Magnetic flux/mæɡˈnetɪk flʌks/ Магнитный поток
surface integral/ˈsɜːfɪs ˈɪntɪɡrəl/ поверхностный интеграл
area vector/ˈeərɪə ˈvektə/ вектор площади
emf/emf/ ЭДС (электродвижущая сила)
Faraday's law/ˈfærədeɪz lɔː/ Законом Фарадея
Lenz's law/ˈlentsɪz lɔː/ Правилом Ленца
induced current/ɪnˈdjuːst ˈkʌrənt/ индуцированный ток
right-hand rule/raɪt hænd ruːl/ правило правой руки
motional emf/ˈməʊʃənl emf/ ЭДС движения
Maxwell's equations/ˈmækswelz ɪˈkweɪʒnz/ Уравнения Максвелла
electromagnetic waves/ɪˌlektrəʊməɡˈnetɪk weɪvz/ электромагнитных волн
eddy currents/ˈedi ˈkʌrənts/ вихревые токи
generator/ˈdʒenəreɪtə/ генератором
inductance/ɪnˈdʌktəns/ индуктивность
inductor/ɪnˈdʌktə/ катушка индуктивности
solenoid/ˈsəʊlənɔɪd/ соленоид
magnetic permeability/mæɡˈnetɪk ˌpɜːməˈbɪlɪti/ магнитная проницаемость
RL circuit/ˌɑː ˈel ˈsɜːkɪt/ RL-цепь
differential equation/ˌdɪfəˈrenʃl ɪˈkweɪʒn/ дифференциальное уравнение
time constant/taɪm ˈkɒnstənt/ постоянная времени
LC circuit/ˌel ˈsiː ˈsɜːkɪt/ LC-цепь
oscillates/ˈɒsɪleɪts/ колеблется
simple harmonic motion/ˈsɪmpl hɑːˈmɒnɪk ˈməʊʃn/ простое гармоническое колебание
conservation of energy/ˌkɒnsəˈveɪʃn ɒv ˈenədʒi/ закон сохранения энергии
13.2

Электромагнитная индукция

Программа

Цель обучения 13.2.A: Описать индуцированную разность потенциалов, возникающую в результате изменения магнитного потока.

  • 13.2.A.1 Закон Фарадея описывает связь между изменением магнитного потока и возникающей в системе ЭДС индукции.
    • Уравнение: $\mathcal{E} = -\dfrac{d\Phi_B}{dt} = -\dfrac{d\left(\vec{B} \cdot \vec{A}\right)}{dt}$
    • 13.2.A.1.i Когда площадь рассматриваемой поверхности постоянна, ЭДС индукции равна площади, умноженной на скорость изменения компоненты магнитного поля, перпендикулярной поверхности.
    • 13.2.A.1.ii Когда магнитное поле постоянно, наведенная ЭДС равна произведению магнитного поля на скорость изменения площади, перпендикулярной магнитному полю.
    • 13.2.A.1.iii Когда ЭДС наводится в длинном соленоиде, полная наведенная ЭДС равна наведенной ЭДС в одном контуре, умноженной на число витков соленоида.
      • Уравнение: $\left|\mathcal{E}_{\text{sol}}\right| = N\left|\dfrac{d\Phi_B}{dt}\right|$
  • 13.2.A.2 Закон Ленца используется для определения направления наведенной ЭДС, возникающей из-за изменения магнитного потока.
    • 13.2.A.2.i Наведенная ЭДС порождает ток, который создает магнитное поле, противодействующее изменению магнитного потока.
    • 13.2.A.2.ii Правило правой руки используется для определения соотношений между током, ЭДС и магнитным потоком.
  • 13.2.A.3 Уравнения Максвелла — это совокупность уравнений, полностью описывающих электромагнетизм. Третье уравнение Максвелла представляет собой закон электромагнитной индукции Фарадея, который описывает связь между изменяющимся магнитным потоком и наведенным электрическим полем.
    • Уравнение: $\mathcal{E} = \oint \vec{E} \cdot d\vec{\ell} = -\dfrac{d\Phi_B}{dt}$
  • 13.2.A.4 Уравнения Максвелла могут быть использованы для демонстрации того, что электрические и магнитные поля подчиняются волновым уравнениям и что электромагнитные волны распространяются с постоянной скоростью в вакууме.
    • Уравнение (выведенное): $c = \dfrac{1}{\sqrt{\varepsilon_0 \mu_0}}$

Граничное условие: AP Physics C: Электричество и магнетизм не требует от студентов математического вывода скорости света в вакууме из уравнений Максвелла. Данная связь приведена выше исключительно как указание на дальнейшие приложения, последствия и связи с физическими явлениями, которые студенты могут изучить в более продвинутых курсах физики.

Источник: Описание курса и экзамена College Board AP

Электромагнитная индукция

Изменяющийся поток индуцирует ЭДС — закон Фарадея:

$$\varepsilon=-\frac{d\Phi_B}{dt}.$$

При постоянной площади $\varepsilon=-A\,\dfrac{dB_\perp}{dt}$; при постоянном поле $\varepsilon=-B\,\dfrac{dA_\perp}{dt}$. Катушка из $N$ витков умножает ЭДС одного контура: $|\varepsilon_{\text{sol}}|=N\left|\dfrac{d\Phi_B}{dt}\right|$.

Закон Ленца — это знак минус: индуцированный ток течёт так, что собственное магнитное поле противодействует изменению потока, которое его вызвало. Поднесите магнит к контуру, и он отталкивает его; отодвиньте, и он притянет обратно. Используйте правило правой руки, чтобы превратить «противодействие изменению» в направление тока.

Перемещение магнита в катушку наводит ЭДС, которая вызывает ток
Перемещение магнита в катушку наводит ЭДС, которая вызывает ток

Палка длиной $L$, скользящая со скоростью $v$ поперёк поля, — особый случай, который стоит запомнить — подвижная ЭДС $\varepsilon=BLv$.

Разбор примера. Палка $0.20\ \text{m}$ скользит со скоростью $3.0\ \text{m/s}$ поперёк поля $0.50\ \text{T}$: $\varepsilon=BLv=0.50(0.20)(3.0)=0.30\ \text{V}$. Эквивалентно, если поток одного контура уменьшается от $0.020\ \text{Wb}$ до $0.008\ \text{Wb}$ за время $0.030\ \text{s}$, средняя ЭДС равна $\varepsilon=\dfrac{0.012}{0.030}=0.40\ \text{V}$.

Закон Фарадея — также третье из уравнений Максвелла, в более глубокой форме: изменяющийся магнитный поток создаёт вихревое электрическое поле, $\oint\vec{E}\cdot d\vec{l}=-\dfrac{d\Phi_B}{dt}$ — именно это поле толкает заряды по контуру. Совместно уравнения Максвелла предсказывают электромагнитные волны, движущиеся со скоростью $c=1/\sqrt{\varepsilon_0\mu_0}$ (вы должны знать эту связь, но AP не потребует её вывода).

Намотанный ротор электродвигателя
Катушки из проволоки, вращающиеся в магнитном поле: перемещение их относительно поля вызывает ток, что лежит в основе генератора
Трансформатор подстанции: изменяющийся магнитный поток в катушках наводит напряжения, питающие сеть
Трансформатор подстанции: изменяющийся магнитный поток в катушках наводит напряжения, питающие сеть
Исследовать

Индуцируйте ток движением магнита

Изменяющийся магнитный поток через катушку индуцирует ЭДС (закон Фарадея); её направление противодействует изменению потока (закон Ленца). Двигайте магнит быстрее для получения большей ЭДС.

13.3

Индуцированные токи и магнитные силы

Программа

Цель обучения 13.3.A: Описать силу, действующую на проводник вследствие взаимодействия внешнего магнитного поля и индуцированного тока внутри этого проводника.

  • 13.3.A.1 Когда в проводящем контуре возникает индуцированный ток, уже существующее магнитное поле будет оказывать магнитную силу на движущиеся заряды внутри контура.
    • Уравнение: $\vec{F}_B = \displaystyle\int I\left(d\vec{\ell} \times \vec{B}\right)$
  • 13.3.A.2 Когда в проводящем контуре индуцируется ток, магнитные силы действуют только на те участки контура, которые находятся во внешнем магнитном поле. Эти магнитные силы могут вызвать поступательное или вращательное ускорение.
  • 13.3.A.3 Сила, действующая на проводящий контур, пропорциональна индуцированному току в контуре, который зависит от скорости изменения магнитного потока, сопротивления контура и скорости движения контура.
  • 13.3.A.4 Второй закон Ньютона может быть применен к проводящему контуру, движущемуся в магнитном поле, при experiencing наведенной ЭДС.

Источник: Описание курса и экзамена College Board AP

Как только возникает индуцированный ток, внешнее поле действует на него силами ($\vec{F}=\int I\,d\vec{l}\times\vec{B}$) — и по закону Ленца эти силы всегда противодействуют движению, вызывающему индукцию. Только те участки контура, которые фактически находятся внутри поля, испытывают силу, что может привести к ускорению, вращению или торможению контура. Отсюда берёт начало торможение вихревыми токами, и ко движущемуся контуру или палке можно применить второй закон Ньютона как к любой задаче механики.

Индуцированные вихревые токи противодействуют движению, быстро затухая при качании металлической пластины в поле
Индуцированные вихревые токи противодействуют движению, быстро затухая при качании металлической пластины в поле

Классическая установка — палка, скользящая по проводящим рельсам, соединённым резистором:

Палка, скользящая по рельсам: индуцированный ток испытывает силу, противодействующую движению
Палка, скользящая по рельсам: индуцированный ток испытывает силу, противодействующую движению

Разбор примера (полная цепочка). Рельсы $L=0.20\ \text{m}$ apart с сопротивлением $R=0.60\ \Omega$ находятся в поле $0.50\ \text{T}$, направленном в плоскость рисунка. Палку толкают с постоянной $3.0\ \text{m/s}$. Тогда: $\varepsilon=BLv=0.30\ \text{V}$; $I=\varepsilon/R=0.50\ \text{A}$; поле действует на палку силой $F=BIL=0.50(0.50)(0.20)=0.050\ \text{N}$. Толкающая сила совершает работу со $P=Fv=0.15\ \text{W}$ – ровно столько же, $P=I^2R=0.15\ \text{W}$, рассеивается в резисторе. Механическая работа переходит в электрическую энергию: это генератор, и энергия сохраняется. Если отпустить без толчка, палка экспоненциально замедляется: $ma=-\dfrac{B^2L^2}{R}v$.

Экзаменационный навык. FRQ проходят именно эту цепочку: поток $\to$ → ЭДС $\to$ → ток $\to$ → сила $\to$ → второй закон Ньютона. Пишите каждое звено отдельно и проверяйте направление по закону Ленца в конце.

13.4

Индуктивность

Программа

Цель обучения 13.4.A: Описать физические и электрические свойства катушки индуктивности (дросселя).

  • 13.4.A.1 Индуктивность — это свойство проводника препятствовать изменению электрического тока.
    • 13.4.A.1.i Индуктивность проводника зависит от его физических свойств. Прямые провода обычно моделируются как имеющие нулевую индуктивность.
    • 13.4.A.1.ii Катушка индуктивности, такая как соленоид, является элементом цепи, обладающим значительной индуктивностью.
    • 13.4.A.1.iii Индуктивность соленоида зависит от общего числа витков, длины соленоида, площади его поперечного сечения и магнитной проницаемости сердечника соленоида.
      • Уравнение: $L_{\text{sol}} = \dfrac{\mu_{\text{core}} N^2 A}{\ell}$
  • 13.4.A.2 Катушки индуктивности накапливают энергию в магнитном поле, создаваемом током в катушке.
    • Уравнение: $U_L = \dfrac{1}{2} L I^2$
    • 13.4.A.2.i Энергия, накопленная в магнитном поле катушки индуктивности, через которую течет ток, может рассеиваться через резистор или использоваться для зарядки конденсатора.
    • 13.4.A.2.ii Передача энергии, генерируемой в катушке индуктивности, в другие формы энергии подчиняется законам сохранения.
  • 13.4.A.3 Применяя закон Фарадея к катушке индуктивности и используя определение индуктивности, наведенную ЭДС можно связать с индуктивностью и скоростью изменения тока.
    • Уравнение: $\mathcal{E}_i = -L\dfrac{dI}{dt}$

Источник: Описание курса и экзамена College Board AP

Индуктивность — способность проводника противодействовать изменению собственного тока: изменяющийся ток меняет собственный поток, что самоиндуцирует ЭДС. Из закона Фарадея,

$$\varepsilon=-L\frac{dI}{dt}.$$

Индуктор — это элемент цепи, предназначенный для обеспечения большой индуктивности, обычно соленоид, где геометрия обеспечивает

$$L_{\text{sol}}=\frac{\mu_{\text{core}}N^2A}{\ell},$$

$N$ полных витков, площадь $A$, длину $\ell$ и магнитную проницаемость сердечника. (Прямые провода моделируются как имеющие нулевую индуктивность.) Индуктор с током $I$ накапливает энергию в своем магнитном поле:

$$U_L=\tfrac{1}{2}LI^2,$$

которая впоследствии может рассеиваться на резисторе или передаваться конденсатору — здесь, как всегда, выполняется закон сохранения энергии.

13.5

Цепи с резисторами и индукторами

Программа

Цель обучения 13.5.A: Описать физические и электрические свойства цепи, содержащей комбинацию резисторов и одной катушки индуктивности.

  • 13.5.A.1 Резистор будет рассеивать энергию, накопленную в катушке индуктивности, по мере изменения тока.
  • 13.5.A.2 Правило Kirchhoff для контуров может быть применено к последовательной LR-цепи с источником ЭДС $\mathcal{E}$, что приводит к дифференциальному уравнению, описывающему ток в контуре.
    • Уравнение (выведенное): $\mathcal{E} = IR + L\dfrac{dI}{dt}$
  • 13.5.A.3 Постоянная времени является важной характеристикой поведения LR-цепи.
    • 13.5.A.3.i Постоянная времени цепи является мерой того, насколько быстро LR-цепь достигнет установившегося состояния, и описывается уравнением $\tau = \dfrac{L}{R_{\text{eq}}}$.
    • 13.5.A.3.ii Постоянная времени представляет собой время, которое потребовалось бы LR-цепи для достижения установившегося состояния, если бы система продолжала меняться с начальной скоростью изменения.
    • 13.5.A.3.iii Для катушки индуктивности с нулевым начальным током постоянная времени представляет собой время, необходимое для того, чтобы ток в катушке достиг приблизительно 63 процентов своего конечного асимптотического значения.
    • 13.5.A.3.iv Для катушки индуктивности с начальным током постоянная времени представляет собой время, необходимое для того, чтобы ток в катушке достиг приблизительно 37 процентов своего начального значения.
  • 13.5.A.4 Электрические свойства катушек индуктивности изменяются в течение интервала времени, в котором меняется ток в катушке, но после длительного интервала времени проявляют поведение установившегося режима.
    • 13.5.A.4.i При первоначальном замыкании или размыкании ключа в цепи, содержащей катушку индуктивности, наведенная ЭДС будет равна по величине и противоположна по направлению приложенной разности потенциалов на ветви, содержащей катушку.
    • 13.5.A.4.ii Разность потенциалов на катушке индуктивности, ток в катушке и энергия, накопленная в катушке, изменяются экспоненциально во времени и имеют асимптоты, определяемые начальными условиями цепи.
    • 13.5.A.4.iii После времени, значительно превышающего постоянную времени цепи, катушка индуктивности будет вести себя как проводник с нулевым сопротивлением.

Источник: Описание курса и экзамена College Board AP

В RL-цепи RL правило контуров Кирхгофа для батареи $\varepsilon$, резистора $R$ и индуктора $L$, соединенных последовательно, дает дифференциальное уравнение:

$$\varepsilon=IR+L\frac{dI}{dt}\quad\Rightarrow\quad I(t)=\frac{\varepsilon}{R}\big(1-e^{-t/\tau}\big),\qquad \tau=\frac{L}{R}.$$

Постоянная времени $\tau$ задает темп: за одно $\tau$ растущий ток достигает примерно $63\%$ своего конечного значения (а убывающий снижается до $37\%$); это также время, которое изменение взяло бы при начальной скорости. Выучите два предельных случая — они отвечают на большинство концептуальных вопросов:

  • Сразу после замыкания ключа (при $t=0$): ток не может скачкообразно измениться, поэтому катушка индуктивности временно блокирует его, индуцируя ЭДС самоиндукции, равную по модулю и противоположную по направлению приложенному разности потенциалов.
  • Долго спустя ($t\gg\tau$): ток стабилен, равен $dI/dt=0$, а индуктор ведет себя как обычный проводник — полная противоположность конденсатору.
Ток в RL-цепи возрастает экспоненциально, достигая 63% за одну постоянную времени
Ток в RL-цепи возрастает экспоненциально, достигая 63% за одну постоянную времени

Разобранная задача. ЭДС источника $\varepsilon=12\ \text{V}$, сопротивление $R=6.0\ \Omega$, индуктивность $L=3.0\ \text{H}$: конечный ток равен $\varepsilon/R=2.0\ \text{A}$, а постоянная времени составляет $\tau=L/R=0.50\ \text{s}$. В момент времени $t=0.50\ \text{s}$ ток равен $2.0(1-e^{-1})\approx1.3\ \text{A}$. При замыкании цепи ($t=0$) разность потенциалов на катушке индуктивности равна полной ЭДС источника $12\ \text{V}$; по мере нарастания тока ($t\to\infty$) она уменьшается до нуля. Ток, напряжение на катушке и запасенная энергия изменяются экспоненциально со временем.

13.6

Цепи с конденсаторами и индукторами

Программа

Цель обучения 13.6.A: Описать физические и электрические свойства цепи, содержащей сочетание конденсаторов и одной катушки индуктивности.

  • 13.6.A.1 В цепях, содержащих только заряженный конденсатор и катушку индуктивности (LC-цепи), максимальный ток в катушке можно определить, используя закон сохранения энергии в цепи.
  • 13.6.A.2 В LC-цепях временная зависимость заряда, накопленного в конденсаторе, может быть смоделирована как гармонические колебания.
    • Уравнение (выведенное): $\dfrac{d^2 q}{dt^2} = -\dfrac{1}{LC} q$
  • 13.6.A.3 Угловая частота колебательной LC-цепи может быть выведена из дифференциального уравнения, описывающего LC-цепь.
    • Уравнение (выведенное): $\omega = \dfrac{1}{\sqrt{LC}}$

Источник: Описание курса и экзамена College Board AP

LC-контур: энергия колеблется, подобно пружине

LC-контур LC не имеет сопротивления, поэтому ничего не рассеивает энергию: он осциллирует, перетекая энергией между электрическим полем конденсатора и магнитным полем индуктора. Правило контуров дает

$$\frac{d^2q}{dt^2}=-\frac{1}{LC}\,q,$$

то же самое уравнение, что и масса на пружине — простые гармонические колебания, где заряд выполняет роль смещения, а

$$\omega=\frac{1}{\sqrt{LC}}.$$

полная энергия $\dfrac{q^2}{2C}+\tfrac12LI^2$ остается постоянной: вся она сосредоточена в конденсаторе при максимальном заряде и вся — в индукторе при максимальном токе.

Разобранное решение. $L=2.0\ \text{H}$, $C=8.0\ \mu\text{F}$: $\omega=\dfrac{1}{\sqrt{2.0(8.0\times10^{-6})}}=250\ \text{rad/s}$, период $T=2\pi/\omega\approx0.025\ \text{s}$. Если конденсатор изначально заряжен до $12\ \text{V}$, то $U=\tfrac12CV^2=5.8\times10^{-4}\ \text{J}$, а максимальный ток следует из $\tfrac12LI_{\max}^2=U$: $I_{\max}=\sqrt{2U/L}=0.024\ \text{A}$ — закон сохранения энергии, без необходимости использования дифференциального исчисления.

13.6

Советы для экзамена

  • Вычислить поток $\Phi_B=\int \vec B\cdot d\vec A$ и получить наведенную ЭМФ из закона Фарадея $\varepsilon=-\tfrac{d\Phi_B}{dt}$.
  • Использовать закон Ленца (знак минус) для определения направления: наведенный ток противодействует изменению потока.
  • Поток меняется тремя способами — изменением $B$, изменением площади или изменением угла — определите какой именно и продифференцируйте.
  • Для стержня длиной $L$, движущегося со скоростью $v$, движущая ЭМФ равна $BLv$.
  • Индуктор накапливает энергию $\tfrac12 LI^2$ и сопротивляется изменению тока (постоянная времени RL $\tau=L/R$).

Интерактивные уроки по этой теме

Пройдите его шаг за шагом с упражнениями мгновенной проверки.

Архив экзаменационных работ

Больше тем в AP Физика C: Электричество и магнетизм

Войти или создать аккаунт

IGCSE, A-Level & AP