Lenzsche Regel (1883)Der bei einer Änderung des magnetischen Flusses in einer geschlossenen Schleife angeregte Induktionsstrom ist immer so gerichtet, dass das von ihm erzeugte magnetische Feld die Änderung des magnetischen Flusses verhindert, die den induzierten Strom verursacht.

Lenz‘ Erfahrung

Beschreibung des Erlebnisses:Ein geschlossener Ring wird von einem Magneten abgestoßen, wenn er in den Ring hineingeschoben wird, und angezogen, wenn der Magnet herausgezogen wird.

Die Bewegung des Rings ist darauf zurückzuführen Magnetfeld des Induktionsstroms.

Anwendung der Lenzschen Regel

Beispiel Magnet bewegt sich nach rechts (bewegt sich in den Stromkreis)

1. Bestimmen Sie die Richtung der äußeren FeldlinienB.

2. Bestimmen Sie, ob der magnetische Fluss durch zunimmt oder abnimmt

Schaltkreis.

3. Bestimmen Sie die Richtung des InduktionsmagnetfeldesB ich

Wenn der magnetische Fluss zunimmt,B ich gerichtet gegenB, was diesen Anstieg kompensiert. Wenn der magnetische Fluss abnimmt,B ich die gleiche Richtung wieB, was diesen Rückgang kompensiert.

Bestimmen Sie mithilfe der Bohrerregel die Richtung des Induktionsstroms.

Elektrisches Wirbelfeld

Der Grund für das Auftreten einer induzierten EMK in einem geschlossenen Regelkreis, wenn sich der magnetische Fluss ändert, ist EntstehungElektrisches Wirbelfeld in jedem Raumbereich, in dem ein magnetisches Wechselfeld vorhanden ist. – Maxwells Hypothese. Wirbelfeldlinien geschlossen.

Lassen Sie uns die Eigenschaften der uns bekannten Felder auflisten

1. Elektrostatisch, tritt überall dort auf, wo Strom vorhanden ist. Gebühren. Kraftlinien beginnen und enden an den Ladungen. Potenzial, d.h. Die Arbeit im geschlossenen Regelkreis ist Null. Spannung, Potenzial.

2. Aktuelles Feld – Magnetisch, Wirbel, Arbeit entlang eines geschlossenen Kreislaufs ist nicht Null. Der Strom fließt in Richtung abnehmenden Potentials. Das Feld wirkt nur auf bewegliche Ladungen.

3. Elektrisches Wirbelfeld. Funktioniert mit allen Gebühren. Die Arbeit in einem geschlossenen Kreislauf ist gleich der induzierten EMK. Die induzierte EMK wird durch das Faradaysche Gesetz bestimmt.

2. Selbstinduktion. Induktivität

Ein wichtiger Sonderfall ist die Selbstinduktion

elektromagnetische Induktion beim Wechsel

magnetischer Fluss, der induzierte EMK verursacht,

geschaffen Strom im Stromkreis selbst.

In jedem Stromkreis, durch den Strom fließt,

entsteht ein magnetisches Feld. Feldlinien dieses Feldes

durchdringen der gesamte umgebende Raum, einschließlich der Schnittfläche der Kontur selbst.

Der magnetische Fluss, der durch den Strom in genau diesem Stromkreis verursacht wird, wird aufgerufen eigener magnetischer Fluss.

Da der magnetische Fluss proportional ist Magnetfeldinduktion, sein eigener magnetischer Fluss ist proportional zur Stromstärke im Stromkreis

Daher können wir einen Proportionalitätskoeffizienten einführen

ProportionalitätsfaktorLzwischen dem selbstmagnetischen Fluss im Stromkreis und der Stromstärke darin wird die Induktivität des Stromkreises genannt.

Die Induktivität des Leiters hängt davon ab Größe, Form des Leiters, magnetische Eigenschaften des Mediums.

Die Einheit der Induktivität heißt Henry

Wenn das Auftreten eines induzierten Stroms oder einer Potentialdifferenz in einem Leiter, der sich in einem Magnetfeld bewegt, durch die Wirkung der Lorentzkraft erklärt werden kann, führt dies zur Bewegung von Ladungen. Wie lässt sich das Auftreten eines elektrischen Stroms in einem stationären Leiter erklären, der sich in einem sich ändernden Magnetfeld befindet? Das Vorhandensein eines elektrischen Feldes!!! Was ist das für ein Feld?

Jede Änderung des Magnetfeldes erzeugt ein induktives elektrisches Feld im umgebenden Raum (unabhängig davon, ob ein geschlossener Stromkreis vorhanden ist oder nicht, und wenn der Leiter offen ist, entsteht an seinen Enden eine Potentialdifferenz; wenn der Leiter geschlossen ist, dann darin wird ein Induktionsstrom beobachtet).

Elektrisches Feld elektrostatisches Feld 1. erzeugt durch stationäre elektrische Ladungen 2. Feldlinien sind offen - - Potentialfeld 3. Quellen des Feldes sind elektrische Ladungen 4. Die Arbeit der Feldkräfte, um eine Testladung entlang eines geschlossenen Pfades zu bewegen, ist gleich 0 . Induktionselektrisches Feld (elektrisches Wirbelfeld) 1. verursacht durch Änderungen im Magnetfeld 2. Kraftlinien sind geschlossen - - Wirbelfeld 3. Feldquellen können nicht angegeben werden 4. die Arbeit der Feldkräfte, um eine Testladung entlang a zu bewegen Der geschlossene Pfad ist gleich der induzierten EMK

Induktivität (oder Selbstinduktionskoeffizient) ist der Proportionalitätskoeffizient zwischen dem elektrischen Strom, der in einem geschlossenen Stromkreis fließt, und dem magnetischen Fluss, der durch diesen Strom durch die Oberfläche erzeugt wird: Ф = LI, Ф magnetischer Fluss, I Strom im Stromkreis, L Induktivität. Die Induktivität drückt die selbstinduktive EMK im Stromkreis aus, die auftritt, wenn sich der Strom darin ändert: ξ сi=-L ΔI/ Δt. Aus dieser Formel folgt, dass die Induktivität numerisch gleich der selbstinduktiven EMK ist, die im Stromkreis auftritt, wenn sich der Strom in 1 s um 1 A ändert. Induktivität

Das elektrische Feld, das bei der Änderung des Magnetfeldes entsteht, hat eine völlig andere Struktur als das elektrostatische. Es ist nicht direkt mit elektrischen Ladungen verbunden und seine Spannungslinien können nicht auf ihnen beginnen und enden. Sie beginnen oder enden nirgendwo, sondern sind geschlossene Linien, ähnlich den Induktionslinien magnetischer Felder. Dies ist das sogenannte elektrische Wirbelfeld. Es könnte sich die Frage stellen: Warum heißt dieses Feld eigentlich elektrisch? Schließlich hat es einen anderen Ursprung und eine andere Konfiguration als ein statisches elektrisches Feld. Die Antwort ist einfach: Das Wirbelfeld wirkt auf die Ladung Q genau wie die elektrostatische, und das ist es, was wir als die Haupteigenschaft des Feldes betrachteten und immer noch betrachten. Die auf die Ladung wirkende Kraft ist immer noch gleich F= qE, Wo E- Intensität des Wirbelfeldes.

Wenn der magnetische Fluss durch ein gleichmäßiges Magnetfeld erzeugt wird, das in einem langen, schmalen zylindrischen Rohr mit dem Radius r 0 konzentriert ist (Abb. 5.8), dann ist aus Symmetrieüberlegungen offensichtlich, dass die elektrischen Feldstärkelinien in Ebenen senkrecht zu den Linien B liegen und sind Kreise. Gemäß der Lenzschen Regel nimmt das Magnetfeld zu

Induktionslinien der Spannung E bilden eine linke Schraube mit der Richtung der magnetischen Induktion B.

Im Gegensatz zu einem statischen oder stationären elektrischen Feld ist die Arbeit eines Wirbelfeldes auf einer geschlossenen Bahn nicht Null. Wenn sich eine Ladung entlang einer geschlossenen Linie der elektrischen Feldstärke bewegt, hat die Arbeit auf allen Abschnitten des Weges tatsächlich das gleiche Vorzeichen, da Kraft und Bewegung in der Richtung übereinstimmen. Ein elektrisches Wirbelfeld ist wie ein Magnetfeld kein Potential.

Die Arbeit eines elektrischen Wirbelfeldes zur Bewegung einer einzelnen positiven Ladung entlang eines geschlossenen stationären Leiters ist numerisch gleich der induzierten EMK in diesem Leiter.

Wenn Wechselstrom durch die Spule fließt, ändert sich der magnetische Fluss, der durch die Spule fließt. Daher entsteht im selben Leiter, durch den Wechselstrom fließt, eine induzierte EMK. Dieses Phänomen wird Selbstinduktion genannt.

Bei der Selbstinduktion spielt der leitende Stromkreis eine doppelte Rolle: Durch ihn fließt ein Strom, der eine Induktion verursacht, und in ihm entsteht eine induzierte EMK. Ein sich änderndes Magnetfeld induziert eine EMK in dem Leiter, durch den der Strom fließt, und erzeugt so dieses Feld.

Im Moment des Stromanstiegs ist die Intensität des elektrischen Wirbelfeldes gemäß der Lenzschen Regel gegen den Strom gerichtet. Folglich verhindert das Wirbelfeld in diesem Moment, dass der Strom zunimmt. Im Gegenteil: In dem Moment, in dem der Strom abnimmt, wird er durch das Wirbelfeld unterstützt.

Dies führt dazu, dass sich beim Schließen eines Stromkreises, der eine Quelle konstanter EMK enthält, ein bestimmter Stromwert nicht sofort, sondern allmählich im Laufe der Zeit einstellt (Abb. 5.13). Wenn andererseits die Quelle ausgeschaltet wird, stoppt der Strom in geschlossenen Stromkreisen nicht sofort. Die dabei entstehende selbstinduktive EMK kann die Quellen-EMK übersteigen, da die Änderung des Stroms und seines Magnetfeldes beim Abschalten der Quelle sehr schnell erfolgt.

Das Phänomen der Selbstinduktion kann in einfachen Experimenten beobachtet werden. Abbildung 5.14 zeigt eine Schaltung zum Parallelschalten zweier identischer Lampen. Einer von ihnen ist über einen Widerstand mit der Quelle verbunden R, und der andere - in Reihe mit der Spule L mit Eisenkern. Beim Schließen des Schlüssels blinkt die erste Lampe fast sofort, die zweite mit spürbarer Verzögerung. Die selbstinduktive EMK im Stromkreis dieser Lampe ist groß und die Stromstärke erreicht nicht sofort ihren Maximalwert. Das Auftreten einer selbstinduktiven EMK beim Öffnen kann experimentell mit einer Schaltung beobachtet werden, die schematisch in Abbildung 5.15 dargestellt ist. Wenn der Schlüssel in der Spule geöffnet wird L Es entsteht eine selbstinduzierte EMK, die den Anfangsstrom aufrechterhält. Dadurch fließt im Moment des Öffnens ein Strom durch das Galvanometer (gestrichelter Pfeil), der dem Anfangsstrom vor dem Öffnen (durchgezogener Pfeil) entgegengesetzt ist. Darüber hinaus übersteigt die Stromstärke beim Öffnen des Stromkreises die Stromstärke, die beim Schließen des Schalters durch das Galvanometer fließt. Dies bedeutet, dass die selbstinduzierte EMK ξ. mehr EMK ξist Batterieelemente.

Das Phänomen der Selbstinduktion ähnelt dem Phänomen der Trägheit in der Mechanik. Trägheit führt also dazu, dass ein Körper unter Krafteinwirkung nicht sofort, sondern allmählich eine bestimmte Geschwindigkeit erreicht. Der Körper kann nicht sofort abgebremst werden, egal wie groß die Bremskraft ist. Ebenso nimmt die Stromstärke aufgrund der Selbstinduktion beim Schließen des Stromkreises nicht sofort einen bestimmten Wert an, sondern steigt allmählich an. Durch das Abschalten der Quelle unterbrechen wir den Strom nicht sofort. Durch Selbstinduktion wird es trotz vorhandenem Stromkreiswiderstand einige Zeit lang aufrechterhalten.

Als nächstes muss nach den Gesetzen der Mechanik Arbeit verrichtet werden, um die Geschwindigkeit eines Körpers zu erhöhen. Beim Bremsen leistet der Körper selbst positive Arbeit. Um einen Strom zu erzeugen, muss auf die gleiche Weise Arbeit gegen das elektrische Wirbelfeld verrichtet werden, und wenn der Strom verschwindet, verrichtet dieses Feld selbst positive Arbeit.

Dies ist nicht nur eine oberflächliche Analogie. Es hat eine tiefe innere Bedeutung. Schließlich ist Strom eine Ansammlung sich bewegender geladener Teilchen. Wenn die Geschwindigkeit der Elektronen zunimmt, ändert sich das von ihnen erzeugte Magnetfeld und erzeugt ein elektrisches Wirbelfeld, das auf die Elektronen selbst einwirkt und eine sofortige Erhöhung ihrer Geschwindigkeit unter dem Einfluss einer äußeren Kraft verhindert. Beim Bremsen hingegen hat das Wirbelfeld die Tendenz, die Elektronengeschwindigkeit konstant zu halten (Lenzsche Regel). Somit ist die Trägheit der Elektronen und damit ihre Masse zumindest teilweise elektromagnetischen Ursprungs. Masse kann nicht vollständig elektromagnetisch sein, da es elektrisch neutrale Teilchen mit Masse (Neutronen usw.) gibt.

Induktivität.

Modul B der magnetischen Induktion, die durch Strom in einem geschlossenen Stromkreis erzeugt wird, ist proportional zur Stärke des Stroms. Da der magnetische Fluss Ф proportional zu B ist, gilt Ф ~ В ~ I.

Man kann also argumentieren, dass

Wo L- Proportionalitätskoeffizient zwischen dem Strom in einem leitenden Stromkreis und dem von ihm erzeugten magnetischen Fluss, der diesen Stromkreis durchdringt. Größe L wird die Induktivität des Stromkreises oder sein Selbstinduktivitätskoeffizient genannt.

Unter Verwendung des Gesetzes der elektromagnetischen Induktion und des elektromagnetischen Ausdrucks (5.7.1) erhalten wir die Gleichheit:

(5.7.2)

Aus Formel (5.7.2) folgt das Induktivität- Dies ist eine physikalische Größe, die numerisch der Selbstinduktions-EMK entspricht, die im Stromkreis auftritt, wenn sich der Strom um 1 A ändert 1 S.

Die Induktivität hängt wie die elektrische Kapazität von geometrischen Faktoren ab: der Größe des Leiters und seiner Form, hängt jedoch nicht direkt von der Stromstärke im Leiter ab. Außer

Aufgrund der Geometrie des Leiters hängt die Induktivität von den magnetischen Eigenschaften der Umgebung ab, in der sich der Leiter befindet.

Die SI-Einheit der Induktivität wird Henry (H) genannt. Die Leiterinduktivität ist gleich 1 Gn, wenn darin, wenn sich die Stromstärke ändert 1 A hinter 1s Es kommt zu einer selbstinduzierten EMK 1 V:

Ein weiterer Sonderfall der elektromagnetischen Induktion ist die Gegeninduktion. Gegenseitige Induktion ist das Auftreten eines induzierten Stroms in einem geschlossenen Stromkreis(Spule) wenn sich die Stromstärke im benachbarten Stromkreis ändert(Spule). Dabei sind die Konturen relativ zueinander ortsfest, wie beispielsweise die Spulen eines Transformators.

Quantitativ wird die gegenseitige Induktion durch den gegenseitigen Induktionskoeffizienten oder die gegenseitige Induktivität charakterisiert.

Abbildung 5.16 zeigt zwei Schaltungen. Wenn sich der Strom I 1 im Stromkreis ändert 1 im Kreislauf 2 Es entsteht ein Induktionsstrom I 2 .

Der magnetische Induktionsfluss Ф 1,2, der durch den Strom im ersten Stromkreis erzeugt wird und die vom zweiten Stromkreis begrenzte Oberfläche durchdringt, ist proportional zur Stromstärke I 1:

Der Proportionalitätskoeffizient L 1, 2 wird Gegeninduktivität genannt. Es ähnelt der Induktivität L.

Die induzierte EMK im zweiten Stromkreis ist gemäß dem Gesetz der elektromagnetischen Induktion gleich:

Der Koeffizient L 1,2 wird durch die Geometrie beider Kreise, den Abstand zwischen ihnen, ihre relative Position und die magnetischen Eigenschaften der Umgebung bestimmt. Die gegenseitige Induktivität wird ausgedrückt L 1,2, wie die Induktivität L, in Henry.

Wenn sich der Strom im zweiten Stromkreis ändert, entsteht im ersten Stromkreis eine induzierte EMK

Wenn sich die Stromstärke in einem Leiter ändert, entsteht in diesem ein elektrisches Wirbelfeld. Dieses Feld bremst Elektronen ab, wenn der Strom zunimmt, und beschleunigt sie, wenn er abnimmt.

Aktuelle Magnetfeldenergie.

Wenn ein Stromkreis geschlossen wird, der eine Quelle konstanter EMK enthält, wird die Energie der Stromquelle zunächst für die Erzeugung eines Stroms aufgewendet, d. h. für die Bewegung der Elektronen des Leiters und die Bildung eines mit dem Strom verbundenen Magnetfelds teilweise auch auf die Erhöhung der inneren Energie des Leiters, also dessen Erwärmung. Nachdem sich ein konstanter Stromwert eingestellt hat, wird die Energie der Quelle ausschließlich für die Wärmeabgabe aufgewendet. In diesem Fall ändert sich die aktuelle Energie nicht.

Um einen Strom zu erzeugen, muss Energie aufgewendet werden, d. h. es muss Arbeit verrichtet werden. Dies erklärt sich aus der Tatsache, dass beim Schließen des Stromkreises, wenn der Strom ansteigt, im Leiter ein elektrisches Wirbelfeld entsteht, das dem elektrischen Feld entgegenwirkt, das im Leiter aufgrund der Stromquelle erzeugt wird. Damit die Stromstärke gleich I wird, muss die Stromquelle gegen die Kräfte des Wirbelfeldes arbeiten. Diese Arbeit dient dazu, die aktuelle Energie zu erhöhen. Das Wirbelfeld leistet negative Arbeit.

Wenn der Stromkreis geöffnet wird, verschwindet der Strom und das Wirbelfeld verrichtet positive Arbeit. Die im Strom gespeicherte Energie wird freigesetzt. Dies wird durch einen starken Funken erkannt, der entsteht, wenn ein Stromkreis mit hoher Induktivität geöffnet wird.

Ein Ausdruck für die Energie des Stroms I, der durch einen Stromkreis mit der Induktivität L fließt, kann auf der Grundlage der Analogie zwischen Trägheit und Selbstinduktion geschrieben werden.

Wenn die Selbstinduktion der Trägheit ähnelt, sollte die Induktivität bei der Stromerzeugung in der Mechanik die gleiche Rolle spielen wie die Masse bei der Erhöhung der Geschwindigkeit eines Körpers. Die Rolle der Geschwindigkeit eines Körpers in der Elektrodynamik spielt die Stromstärke I als Größe, die die Bewegung elektrischer Ladungen charakterisiert. Wenn dies der Fall ist, kann die aktuelle Energie W m als eine der kinetischen Energie des Körpers ähnliche Größe betrachtet werden - in Mechanik, und schreiben Sie es in das Formular.

Elektrischer Strom in einem Stromkreis ist möglich, wenn äußere Kräfte auf die freien Ladungen des Leiters einwirken. Die Arbeit, die diese Kräfte leisten, um eine einzelne positive Ladung entlang eines geschlossenen Kreislaufs zu bewegen, wird EMK genannt. Wenn sich der magnetische Fluss durch die durch die Kontur begrenzte Oberfläche ändert, treten im Stromkreis Fremdkräfte auf, deren Wirkung durch die induzierte EMK gekennzeichnet ist.

Unter Berücksichtigung der Richtung des Induktionsstroms gilt nach der Lenzschen Regel:

Die induzierte EMK in einer geschlossenen Schleife ist gleich der Änderungsrate des magnetischen Flusses durch die von der Schleife begrenzte Oberfläche, gemessen mit umgekehrtem Vorzeichen.

Warum? - Weil Der induzierte Strom wirkt der Änderung des magnetischen Flusses entgegen, die induzierte EMK und die Änderungsgeschwindigkeit des magnetischen Flusses haben unterschiedliche Vorzeichen.

Wenn wir nicht einen einzelnen Stromkreis, sondern eine Spule betrachten, wobei N die Anzahl der Windungen in der Spule ist:

wobei R der Leiterwiderstand ist.

WIRBEL ELEKTRISCHES FELD

Der Grund für das Auftreten von elektrischem Strom in einem stationären Leiter ist das elektrische Feld.
Jede Änderung des Magnetfelds erzeugt ein induktives elektrisches Feld, unabhängig von der Anwesenheit oder Abwesenheit eines geschlossenen Stromkreises, und wenn der Leiter offen ist, entsteht an seinen Enden eine Potentialdifferenz; Wenn der Leiter geschlossen ist, wird darin ein induzierter Strom beobachtet.

Das induktive elektrische Feld ist ein Wirbel.
Die Richtung der elektrischen Feldlinien des Wirbels stimmt mit der Richtung des Induktionsstroms überein
Ein induktives elektrisches Feld hat völlig andere Eigenschaften als ein elektrostatisches Feld.

Elektrostatisches Feld- wird durch stationäre elektrische Ladungen erzeugt, die Feldlinien sind offen - - Potentialfeld, die Quellen des Feldes sind elektrische Ladungen, die Arbeit der Feldkräfte, um eine Testladung entlang eines geschlossenen Pfades zu bewegen, ist 0

Elektrisches Induktionsfeld (elektrisches Wirbelfeld)- verursacht durch Änderungen im Magnetfeld, die Kraftlinien sind geschlossen (Wirbelfeld), die Feldquellen können nicht angegeben werden, die Arbeit der Feldkräfte zur Bewegung der Testladung entlang einer geschlossenen Bahn ist gleich der induzierten EMK.

Wirbelströme

Induktionsströme in massiven Leitern werden Foucault-Ströme genannt. Foucault-Ströme können sehr große Werte erreichen, weil Der Widerstand massiver Leiter ist gering. Daher bestehen Transformatorkerne aus isolierten Platten.
In Ferriten – magnetischen Isolatoren – treten praktisch keine Wirbelströme auf.

Nutzung von Wirbelströmen

Erhitzen und Schmelzen von Metallen im Vakuum, Dämpfer in elektrischen Messgeräten.

Schädliche Auswirkungen von Wirbelströmen

Hierbei handelt es sich um Energieverluste in den Kernen von Transformatoren und Generatoren durch die Freisetzung großer Wärmemengen.

Elektromagnetisches Feld – Coole Physik

Für Neugierige

Klicken Sie auf den Käfer-Salto

Kitzelt man einen auf dem Rücken liegenden Schnellkäfer, springt er 25 Zentimeter in die Höhe und es ist ein lautes Klicken zu hören. Unsinn, könnte man sagen.
Aber tatsächlich macht der Käfer ohne die Hilfe seiner Beine einen Stoß mit einer Anfangsbeschleunigung von 400 g, dreht sich dann in der Luft um und landet auf seinen Beinen. 400 g – unglaublich!
Noch überraschender ist, dass die beim Stoßen entwickelte Kraft hundertmal größer ist als die Kraft, die jeder einzelne Muskel des Käfers aufbringen kann. Wie schafft es ein Käfer, solch eine enorme Kraft zu entwickeln?
Wie oft schafft er seine erstaunlichen Sprünge? Was ist die Einschränkung hinsichtlich der Häufigkeit ihrer Wiederholung?

Es stellt sich heraus...
Wenn der Käfer auf dem Kopf liegt, verhindert ein spezieller Vorsprung an der Vorderseite seines Körpers, dass er sich zum Sprung aufrichtet. Für einige Zeit baut er Muskelspannung auf, dann beugt er sich scharf und wirft sich auf.
Bevor der Käfer wieder springen kann, muss er seine Muskeln langsam wieder „anspannen“.

Wie entsteht elektromotorische Kraft in einem Leiter, der sich in einem magnetischen Wechselfeld befindet? Was ist ein elektrisches Wirbelfeld, seine Natur und die Ursachen seines Auftretens? Was sind die Haupteigenschaften dieses Feldes? Die heutige Lektion wird all diese und viele andere Fragen beantworten.

Thema: Elektromagnetische Induktion

Lektion:Elektrisches Wirbelfeld

Erinnern wir uns daran, dass die Lenzsche Regel es uns ermöglicht, die Richtung des induzierten Stroms in einem Stromkreis zu bestimmen, der sich in einem externen Magnetfeld mit wechselndem Fluss befindet. Basierend auf dieser Regel konnte das Gesetz der elektromagnetischen Induktion formuliert werden.

Gesetz der elektromagnetischen Induktion

Wenn sich der magnetische Fluss, der den Bereich des Stromkreises durchdringt, ändert, entsteht in diesem Stromkreis eine elektromotorische Kraft, die numerisch der Änderungsrate des magnetischen Flusses mit einem Minuszeichen entspricht.

Wie entsteht diese elektromotorische Kraft? Es stellt sich heraus, dass die EMF in einem Leiter, der sich in einem magnetischen Wechselfeld befindet, mit der Entstehung eines neuen Objekts verbunden ist – Elektrisches Wirbelfeld.

Betrachten wir die Erfahrung. Es gibt eine Spule aus Kupferdraht, in die ein Eisenkern eingelegt ist, um das Magnetfeld der Spule zu verstärken. Die Spule ist über Leiter mit einer Wechselstromquelle verbunden. Es gibt auch eine Drahtspule, die auf einem Holzsockel platziert ist. An diese Spule ist eine Glühbirne angeschlossen. Das Drahtmaterial ist mit einer Isolierung ummantelt. Die Basis der Spule besteht aus Holz, also einem Material, das keinen elektrischen Strom leitet. Der Spulenrahmen besteht ebenfalls aus Holz. Somit ist jegliche Möglichkeit eines Kontakts der Glühbirne mit dem an die Stromquelle angeschlossenen Stromkreis ausgeschlossen. Wenn die Quelle geschlossen ist, leuchtet die Glühbirne auf, daher fließt in der Spule ein elektrischer Strom, was bedeutet, dass in dieser Spule äußere Kräfte wirken. Es gilt herauszufinden, woher die äußeren Kräfte kommen.

Ein Magnetfeld, das die Ebene einer Spule durchdringt, kann kein elektrisches Feld hervorrufen, da das Magnetfeld nur auf bewegte Ladungen wirkt. Nach der elektronischen Leitfähigkeitstheorie von Metallen befinden sich in ihrem Inneren Elektronen, die sich im Kristallgitter frei bewegen können. Allerdings ist diese Bewegung in Abwesenheit eines externen elektrischen Feldes zufällig. Eine solche Störung führt dazu, dass die Gesamtwirkung des Magnetfelds auf einen stromdurchflossenen Leiter Null ist. Dies unterscheidet das elektromagnetische Feld vom elektrostatischen Feld, das auch auf stationäre Ladungen wirkt. Somit wirkt das elektrische Feld auf bewegte und stationäre Ladungen. Die zuvor untersuchte Art von elektrischem Feld wird jedoch nur durch elektrische Ladungen erzeugt. Der induzierte Strom wiederum wird durch ein magnetisches Wechselfeld erzeugt.

Nehmen wir an, dass die Elektronen in einem Leiter unter dem Einfluss eines neuartigen elektrischen Feldes in geordnete Bewegung versetzt werden. Und dieses elektrische Feld wird nicht durch elektrische Ladungen erzeugt, sondern durch ein magnetisches Wechselfeld. Faraday und Maxwell kamen zu einer ähnlichen Idee. Der Kernpunkt dieser Idee ist, dass ein zeitlich veränderliches Magnetfeld ein elektrisches erzeugt. Ein Leiter mit freien Elektronen darin ermöglicht den Nachweis dieses Feldes. Dieses elektrische Feld versetzt die Elektronen im Leiter in Bewegung. Das Phänomen der elektromagnetischen Induktion besteht nicht so sehr im Auftreten eines Induktionsstroms, sondern im Auftreten eines neuartigen elektrischen Feldes, das elektrische Ladungen in einem Leiter in Bewegung setzt (Abb. 1).

Das Wirbelfeld unterscheidet sich vom statischen. Es wird nicht durch stationäre Ladungen erzeugt, daher können die Intensitätslinien dieses Feldes nicht auf der Ladung beginnen und enden. Forschungsergebnissen zufolge handelt es sich bei den Wirbelfeldstärkelinien um geschlossene Linien, die den Magnetfeldinduktionslinien ähneln. Folglich ist dieses elektrische Feld ein Wirbel – dasselbe wie ein magnetisches Feld.

Die zweite Eigenschaft betrifft die Arbeit der Kräfte dieses neuen Feldes. Durch die Untersuchung des elektrostatischen Feldes haben wir herausgefunden, dass die von den Kräften des elektrostatischen Feldes entlang eines geschlossenen Kreises geleistete Arbeit Null ist. Denn wenn sich eine Ladung in eine Richtung bewegt, sind die Verschiebung und die wirksame Kraft gleichgerichtet und die Arbeit ist positiv. Wenn sich die Ladung in die entgegengesetzte Richtung bewegt, sind die Verschiebung und die wirksame Kraft entgegengesetzt gerichtet und die Arbeit ist negativ. die Gesamtarbeit wird Null sein. Im Falle eines Wirbelfeldes ist die Arbeit entlang eines geschlossenen Kreislaufs von Null verschieden. Wenn sich also eine Ladung entlang einer geschlossenen Linie eines elektrischen Feldes mit Wirbelcharakter bewegt, behält die Arbeit in verschiedenen Abschnitten ein konstantes Vorzeichen bei, da die Kraft und die Verschiebung in verschiedenen Abschnitten der Flugbahn relativ zueinander die gleiche Richtung beibehalten andere. Die Arbeit der Kräfte des elektrischen Wirbelfeldes, um eine Ladung entlang einer geschlossenen Schleife zu bewegen, ist ungleich Null, daher kann das elektrische Wirbelfeld einen elektrischen Strom in einer geschlossenen Schleife erzeugen, was mit den experimentellen Ergebnissen übereinstimmt. Dann können wir sagen, dass die vom Wirbelfeld auf die Ladungen wirkende Kraft gleich dem Produkt aus der übertragenen Ladung und der Stärke dieses Feldes ist.

Diese Kraft ist die äußere Kraft, die die Arbeit verrichtet. Die von dieser Kraft geleistete Arbeit, bezogen auf die übertragene Ladungsmenge, ist die induzierte EMK. Die Richtung des elektrischen Wirbelfeldintensitätsvektors an jedem Punkt der Intensitätslinien wird durch die Lenz-Regel bestimmt und stimmt mit der Richtung des Induktionsstroms überein.

In einem stationären Stromkreis, der sich in einem magnetischen Wechselfeld befindet, entsteht ein induzierter elektrischer Strom. Das Magnetfeld selbst kann keine Quelle äußerer Kräfte sein, da es nur auf geordnet bewegte elektrische Ladungen einwirken kann. Es kann kein elektrostatisches Feld geben, da es durch stationäre Ladungen erzeugt wird. Nach der Annahme, dass ein zeitlich veränderliches Magnetfeld ein elektrisches Feld erzeugt, haben wir gelernt, dass dieses Wechselfeld Wirbelcharakter hat, d. h. seine Linien sind geschlossen. Die Arbeit des elektrischen Wirbelfelds entlang eines geschlossenen Kreislaufs ist von Null verschieden. Die vom elektrischen Wirbelfeld auf die übertragene Ladung wirkende Kraft ist gleich dem Wert dieser übertragenen Ladung multipliziert mit der Intensität des elektrischen Wirbelfelds. Diese Kraft ist die äußere Kraft, die zum Auftreten von EMF im Stromkreis führt. Die elektromotorische Kraft der Induktion, d. h. das Verhältnis der Arbeit äußerer Kräfte zur Menge der übertragenen Ladung, ist gleich der Änderungsrate des magnetischen Flusses mit Minuszeichen. Die Richtung des elektrischen Wirbelfeldintensitätsvektors an jedem Punkt der Intensitätslinien wird durch die Lenz-Regel bestimmt.

1. Kasyanov V.A., Physik 11. Klasse: Lehrbuch. für die Allgemeinbildung Institutionen. - 4. Aufl., Stereotyp. - M.: Bustard, 2004. - 416 S.: Abb., 8 B. Farbe An
2. Gendenstein L.E., Dick Yu.I., Physik 11. - M.: Mnemosyne.
3. Tikhomirova S.A., Yarovsky B.M., Physik 11. - M.: Mnemosyne.
   

1. Lehrbuch der elektronischen Physik ().
2. Coole Physik ().
3. Xvatit.com ().

1. Wie lässt sich die Tatsache erklären, dass ein Blitzeinschlag Sicherungen zum Schmelzen bringen und empfindliche Elektrogeräte und Halbleiterbauelemente beschädigen kann?
2. * Beim Öffnen des Rings entstand in der Spule eine Selbstinduktions-EMK von 300 V. Wie groß ist die Intensität des elektrischen Wirbelfelds in den Spulenwindungen, wenn ihre Anzahl 800 beträgt und der Windungsradius 4 cm beträgt?