Для будь-якого замкнутого контуру индуцированная електрорушійна сила (ЕРС) дорівнює швидкості зміни магнітного потоку, що проходить через цей контур, взятого зі знаком мінус.
Закон електромагнітної індукції. Закон електромагнітної індукції формулюється саме для ЕРС, а не для сили індукціоннного струму, т. К. Сила струму залежить і від властивостей провідника, для ЕРС визначається тільки зміною магнітного потоку. Відповідно до закону електромагнітної індукції ЕРС індукції в замкнутому контурі дорівнює по модулю. швидкості зміни магнітного потоку через поверхню, обмежену контуром:
У котушці, яка має кілька витків, загальна ЕРС залежить від кількості витків n:
е - електрорушійна сила, що діє уздовж довільно обраного контуру, В;
dФ - зміна магнітного потоку проходить через поверхню цього підводу води (Вб) або # 8710; Ф = Ф1 -Ф2;
dt - проміжок часу за який відбувається зміна магнітного потоку або # 8710; t = t1 -t2.
Знак «мінус» у формулі відображає правило Ленца. назване так по імені українського фізика Е. Х. Ленца:
Індукційний струм, що виникає в замкнутому провідному контурі, має такий напрямок, що створюване їм магнітне поле протидіє тому зміни магнітного потоку, яким був викликаний даний струм.
Закон електромагнітної індукції використовується у всіх електричних машинах, перш за все в генераторах.
Можна виділити окремий випадок із загальної формулювання закону, який застосовується в генераторах електричної енергії
Якщо в магнітному полі постійного магніту переміщати провідник так, щоб він перетинав магнітний потік, то в провіднику виникне електрорушійна сила (е.р.с.), звана е.р.с індукції (індукція від латинського слова inductio - наведення, спонукання). або индуктированной е.р.с. Електрорушійна сила виникає і в тому випадку, коли провідник залишається нерухомим, а переміщається магніт. Явище виникнення индуктированной е.р.с. в провіднику називається електромагнітної індукції. Якщо провідник, в якому індукується е.р.с., включити в замкнутий електричний ланцюг, то під дією ЕРС по ланцюгу потече струм, званий индуктироваться струмом.
Мал. 1. Визначення напрямку индуктированной е.р.с. за правилом правої руки
Дослідним шляхом встановлено, що величина индуктированной е.р.с. виникає в провіднику при його русі в магнітному полі, зростає зі збільшенням індукції магнітного поля, довжини провідника і швидкості його переміщення. Индуктированная е.р.с. виникає тільки тоді, коли провідник перетинає магнітне поле. При русі провідника уздовж магнітних силових ліній е.р.с. в ньому не индуктируется. Напрямок индуктированной е.р.с. і струму найпростіше визначити за правилом правої руки (рис. 1): якщо долоню правої руки тримати так, щоб в неї входили магнітні силові лінії поля, відігнутий великий палець показував би напрямок руху провідника, то інші витягнуті пальці вкажуть напрямок дії индуктированной е. д.с. і напрямок струму в провіднику. Магнітні силові лінії спрямовані від північного полюса магніту до південного.
Величина индуктированной е.р.с. визначається за формулою
Е = Blvsin # 945; (13)
Існують, також, інші різні формулювання закону, наприклад:
При кожній зміні магнітного потоку через провідний замкнутий контур в цьому контурі виникає електричний струм.
ЕРС індукції в замкнутому контурі прямо пропорційна швидкості зміни магнітного потоку через площу, обмежену цим контуром і ін.
Найбільш простим прикладом появи струму в провіднику є котушка, через яку проходить постійний магніт. Напрямок индуцируемого струму можна визначити за допомогою правила Ленца.
Мал. 9 Приклад появи струму в провіднику
Струм, індукований при зміні магнітного поля проходить через контур, своїм магнітним полем перешкоджає цьому зміни.
Мал. 10 Правило Ленца
У тому випадку, коли ми вводимо магніт в котушку, магнітний потік в контурі збільшується, а значить магнітне поле, створюване індукованим струмом, за правилом Ленца, направлено проти збільшення поля магніту. Щоб визначити напрямок струму, потрібно подивитися на магніт з боку північного полюса. З цієї позиції ми будемо вкручувати буравчик у напрямку магнітного поля струму, тобто назустріч північного полюса. Струм буде рухатися у напрямку обертання гвинта, тобто за годинниковою стрілкою.
У тому випадку, коли ми виводимо магніт з котушки, магнітний потік в контурі зменшується, а значить магнітне поле, створюване індукованим струмом, спрямоване проти зменшення поля магніту. Щоб визначити напрямок струму, потрібно викручувати буравчик, напрямок обертання гвинта покаже напрямок струму в провіднику - проти годинникової стрілки.
Закон Ампера - один з найважливіших і надзвичайно цікавих законів в електротехніці, без якого немислимий науково-технічний прогрес. Цей закон був вперше сформульований в 1820 році Андре Марі Ампером. З нього випливає, що два розташовані паралельно провідника, по яких проходить електричний струм, притягуються, якщо напрямки струмів збігаються, а якщо струм тече в протилежних напрямках, то провідники відштовхуються. Взаємодія тут відбувається за допомогою магнітного поля, яке перманентно виникає при русі заряджених частинок.
Закон Ампера встановлює, що на провідник зі струмом, поміщений в однорідне магнітне поле, діє сила, пропорційна силі струму I, довжині провідника l і індукції магнітного поля В.
Математично закон Ампера в простій формі виглядає так:
де F - це сила Ампера або електромагнітна сила (сила, з якою провідники відштовхуються або притягуються),
B - магнітна індукція, Тл;
L - довжина провідника, м;
# 945; - кут між напрямком струму і напрямом магнітної індукції.
Ця формула закону Ампера виявляється справедливою для прямолінійного провідника і однорідного поля.
Для визначення напрямку сили, що діє на провідник зі струмом, поміщений в магнітне поле, застосовується правило лівої руки.
Мал. 11 Правило лівої руки.
Закон Ампера - використовується у всіх електричних машинах, перш за все, в принципі дії електродвигунів.
Саме під дією сили Ампера відбувається обертання ротора, оскільки на його обмотку впливає магнітне поле статора, приводячи в рух. Будь-які транспортні засоби на електротязі для приведення в обертання валів, на яких знаходяться колеса, використовують силу Ампера (трамваї, електрокари, електропоїзди та ін).
Будь-які вузли в електротехніці, де під дією електромагнітного поля відбувається рух будь-яких елементів, використовують закон Ампера. Самий широко поширений і використовуваний чомусь аж у всіх технічних конструкціях агрегат, в основі своєї роботи використовує закон Ампера - це електродвигун, або, що конструктивно майже те ж саме, генератор.
Також магнітне поле приводить в рух механізми електрозапоров (електродвері, розсувні ворота, двері ліфта). Іншими словами, будь-які пристрої, які працюють на електриці і мають обертові вузли засновані на експлуатації закону Ампера. Також він знаходить застосування в багатьох інших видах електротехніки, наприклад, в гучномовці.
У гучномовці або динаміці для збудження мембрани, яка формує звукові коливання використовується постійний магніт. На нього під дією електромагнітного поля, створюваного розташованим поруч провідником зі струмом, діє сила Ампера, яка змінюється відповідно до потрібної звуковою частотою.
Література: Кацман М.М. Електричні машини. §В1-В3