Электрическое поле созданное переменным магнитным полем называют: Электромагнитное поле — Электромагнитные колебания и волны

Содержание

Вихревое электрическое поле

Вихревое электрическое поле — это электрическое поле, которое порождается переменным магнитным полем и линии напряженности которго замкнуты.

Переменное магнитное поле порождает инду­цированное электрическое поле. Если магнитное поле постоянно, то индуциро­ванного электрического поля не возникнет. Следовательно, индуцированное электрическое поле не связано с зарядами, как это имеет место в случае элект­ростатического поля; его силовые линии не начинаются и не заканчиваются на зарядах, а замкнуты сами на себя, подобно силовым линиям магнитного поля. Это означает, что индуцированное электрическое поле, подобно магнитному, является вихревым.

   Если неподвижный проводник поместить в переменное магнитное поле, то в нем индуцируется э. д. с. Электроны приводятся в направленное движение электрическим полем, индуцированным переменным магнитном полем; возни­кает индуцированный электрический ток. В этом случае проводник является лишь индикатором индуцированного электрического поля. Поле приводит в движение свободные электроны в проводнике и тем самым обнаруживает себя. Теперь можно утверждать, что и без проводника это поле существует, обладая запасом энергии.

   Сущность явления электромагнитной индукции заключается не столько в появлении индуцированного тока, сколько в возникновении вихревого электрического поля.

   Это фундаментальное положение электродинамики установлено Максвел­лом как обобщение закона электромагнитной индукции Фарадея.

   В отличие от электростатического поля индуцированное электрическое поле является непотенциальным, так как работа, совершаемая в индуцированном электрическом поле, при перемещении единичного положительного заряда по замкнутому контуру равна э. д. с. индукции, а не нулю.

   Направление вектора напряженности вихревого электрического поля уста­навливается в соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея и правилом Ленца. Направление силовых линий вихревого эл. поля совпадает с направлением индукционного тока.

   Так как вихревое электрическое поле существует и в отсутствие проводника, то его можно применять для ускорения заряженных частиц до скоростей, со­измеримых со скоростью света. Именно на использовании этого принципа основано действие ускорителей электронов — бетатронов.

   Индукционное электрическое поле имеет совершенно другие свойства в отличии от электростатического поля.

Отличие вихревого электрического поля от электростатического

1) Оно не связано с электрическими зарядами; 
2) Силовые линии этого поля всегда замкнуты; 
3) Работа сил вихревого поля по перемещению зарядов на замкнутой траектории не равна нулю.

электростатическое поле

индукционное электрическое поле
( вихревое электр. поле )

1. создается неподвижными электр. зарядами 1. вызывается изменениями магнитного поля
2. силовые линии поля разомкнуты — потенциальное поле 2. силовые линии замкнуты — вихревое поле
3. источниками поля являются электр. заряды 3. источники поля указать нельзя
4. работа сил поля по перемещению пробного заряда по замкнутому пути = 0. 4. работа сил поля по перемещению пробного заряда по замкнутому пути = ЭДС индукции

Вихревое электрическое поле конспект. Вихревое электрическое поле

Через контур может происходить: 1) в случае неподвижного проводящего контура, помещенного в изменяющееся во времени поле; 2) в случае проводника, движущегося в магнитном поло, которое может и не меняться со временем. Значение ЭДС индукции в обоих случаях определяется законом (2.1), по происхождение этой ЭДС различно.

Рассмотрим сначала первый случай возникновения индукционного тока. Поместим круговой проволочный виток радиусом r в переменное во времени однородное магнитное поле (рис. 2.8). Пусть индукция магнитного поля увеличивается, тогда будет увеличиваться со временем и магнитный поток через поверхность, ограниченную витком. Согласно закону электромагнитной индукции в витке появится индукционный ток. При изменении индукции магнитного поля по линейному закону индукционный ток будет постоянен.

Какие же силы заставляют заряды в витке двигаться? Само магнитное поле, пронизывающее катушку, этого сделать не может, так как магнитное поле действует исключительно на движущиеся заряды (этим-то оно и отличается от электрического), а проводник с находящимися в нем электронами неподвижен.

Кроме магнитного поля, на заряды, причем как на движущиеся, так и на неподвижные, действует еще электрическое поле. Но ведь те поля, о которых пока шла речь (электростатичсское или стационарное), создаются электрическими зарядами, а индукционный ток появляется в результате действия меняющегося магнитного поля. Поэтому можно предположить, что электроны в неподвижном проводнике приводятся в движение электрическим полем, и это поле непосредственно порождается меняющимся магнитным полем. Тем самым утверждается новое фундаментальное свойство поля:

изменяясь во времени, магнитное поле порождает электрическое поле . К этому выводу впервые пришел Дж. Максвелл.

Теперь явление электромагнитной индукции предстает перед нами в новом свете. Главное в нем — это процесс порождения полем магнитным поля электрического. При этом наличие проводящего контура, например катушки, не меняет существа процесса. Проводник с запасом свободных электронов (или других частиц) играет роль прибора: он лишь позволяет обнаружить возникающее электрическое поле.

Поле приводит в движение электроны и проводнике и тем самым обнаруживает себя. Сущность явления электромагнитной индукции и неподвижном проводнике состоит не столько в появлении индукционного тока, сколько в возникновении электрического поля, которое приводит в движение электрические заряды.

Электрическое поле, возникающее при изменении магнитного поля, имеет совсем другую природу, чем электростатическое.

Оно не связано непосредственно с электрическими зарядами , и его линии напряженности не могут на них начинаться и кончаться. Они вообще нигде не начинаются и не кончаются, а представляют собой замкнутые линии, подобныe линиям индукции магнитного поля. Это так называемое вихревое электрическое поле (рис. 2.9).

Чем быстрее меняется магнитная индукция, тем болыпе напряженность электрического поля. Согласно правилу Ленца при возрастании магнитной индукции направление вектора напряженности электрического поля образует левый винт с направлением вектора . Это означает, что при вращении винта с левой нарезкой в направлении линий напряженности электрического поля поступательное перемещение винта совпадает с направлением вектора магнитной индукции. Напротив, при убывании магнитной индукции направление вектора напряженности образует правый винт с направлением вектора .

Направление силовых линий напряженности совпадает с направлением индукционного тока. Сила, действующая со стороны вихревого электрического поля на заряд q (сторонняя сила), по-прежнему равна = q. Но в отличие от случая стационарного электрического поля работа вихревого поля по перемещению заряда q на замкнутом пути не равна нулю. Ведь при перемещении заряда вдоль замкнутой линии напряженности электрического поля работа на всех участках пути имеет один и тот же знак, так как сила и перемещение совпадают по направлению. Работа вихревого электрического поля при перемещении единичного положительного заряда вдоль замкнутого неподвижного проводника численно равна ЭДС индукции в этом проводнике.

Индукционные токи в массивных проводниках. Особенно большого числового значения индукционные токи достигают в массивных проводниках, из-за того, что их сопротивление мало.

Такие токи, называемые токами Фуко по имени исследовавшего их французского физика, можно использовать для нагревания проводников. На этом принципе основано устройство индукционных печей, например используемых в быту СВЧ-печей. Также этот принцип используется для плавки металлов. Кроме этого явление э.пектромагнит-ной индукции используется в детекторах металла, устанавливаемых при входах в здания аэровокзалов, театров и т. д.

Однако во многих устройствах возникновение токов Фуко приводит к бесполезным и даже нежелательным потерям энергии на выделение тепла. Поэтому железные сердечники трансформаторов, электродвигателей, генераторов и т. д. делают не сплошными, а состоящими из отдельных пластин, изолированных друг от друга. Поверхности пластин должны быть перпендикулярны направлению вектора напряженности вихревого электрического поля. Сопротивление электрическому току пластин будет при этом максимальным, а выделение тепла — минимальным.

Применение ферритов. Радиоэлектронная аппаратура работает в области очень высоких частот (миллионы колебаний в секунду). Здесь применение сердечников катушек из отдельных пластин уже не дает нужного эффекта, так как большие токи Фуко возникают в каледой пластине.

В § 7 отмечалось, что существуют магнитные изоляторы — ферриты. При перемагничивании в ферритах не возникают вихревые токи. В результате потери энергии на выделение в них тепла сводятся к минимуму. Поэтому из ферритов делают сердечники высокочастотных трансформаторов, магнитные антенны транзисторов и др. Ферритовые сердечники изготовляют из смеси порошков исходных веществ. Смесь прессуется и подвергается значительной термической обработке.

При быстром изменении магнитного поля в обычном ферромагнетике возникают индукционные токи, магнитное поле которых, в соответствии с правилом Ленца , препятствует изменению магнитного потока в сердечнике катушки. Из-за этого поток магнитной индукции практически не меняется и сердечник не перемагничивается. В ферритах вихревые токи очень малы, поэтому их можно быстро перемагничивать.

Наряду с потенциальным кулоновским электрическим полем существует вихревое электрическое поле. Линии напряженности этого поля замкнуты. Вихревое поле порождается меняющимся магнитным полем.

1. Какова природа сторонних сил, вызывающих появление индукционного тока в неподвижном проводнике!
2. В чем отличие вихревого электрического поля от электростатического или стационарного!
3. Что такое токи Фуко!
4. В чем преимущества ферритов по сравнению с обычными ферромагнетиками!

Мякишев Г. Я., Физика . 11 класс: учеб. для общеобразоват. учреждений: базовый и профил. уровни / Г. Я. Мякишев, Б. В. Буховцев, В. М. Чаругин; под ред. В. И. Николаева, Н. А. Парфентьевой. — 17-е изд., перераб. и доп. — М. : Просвещение, 2008. — 399 с: ил.

Библиотека с учебниками и книгами на скачку бесплатно онлайн , Физика и астрономия для 11 класса скачать , школьная программа по физике, планы конспектов уроков

Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии
Практика
задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные уроки

Цель урока : сформировать понятие, что ЭДС индукции может возникать или в неподвижном проводнике, помещенном в изменяющееся магнитное поле, или в движущемся проводнике, находящемся в постоянном магнитном поле; закон электромагнитной индукции справедлив в обоих случаях, а происхождение ЭДС различно.

Ход урока

Проверка домашнего задания методом фронтального опроса и решения задач

1. Какая величина изменяется пропорционально скорости изменения магнитного потока?

2. Работа, каких сил создает ЭДС индукции?

3. Сформулировать и записать формулу закона электромагнитной индукции.

4. В законе электромагнитной индукции стоит знак «минус». Почему?

5. Какова, ЭДС индукции в замкнутом витке провода, сопротивление которого 0,02 Ом, а индукционный ток 5 А.

Решение. Ii = ξi /R; ξi= Ii·R; ξi= 5·0,02= 0,1 B

Изучение нового материала

Рассмотрим, как возникает ЭДС индукции в неподвижном проводнике, находящимся в переменном магнитном поле. Проще всего это понять

На примере работы трансформатора.

Одна катушка замыкается на сеть переменного тока, если вторая катушка замкнута, то в ней возникает ток. Электроны в проводах вторичной обмотки придут в движение. Какие же силы двигают свободные электроны? Магнитное поле сделать этого не может, так как действует только на движущиеся электрические заряды.

Свободные электроны приходят в движение под действием электрического поля, которое было создано переменным магнитным полем.

Таким образом, мы подошли к понятию нового фундаментального свойства полей: изменяясь во времени, магнитное поле порождает электрическое поле. Этот вывод сделал Дж. Максвелл.

Таким образом, в явлении электромагнитной индукции – главное – это создание магнитным полем электрического поля. Это поле приводит в движение свободные заряды.

Структура этого поля другая, чем у электростатического. Оно не связано с электрическими зарядами. Линии напряженности не начинаются на положительных и не заканчиваются на отрицательных зарядах. Такие линии не имеют начала и конца – это замкнутые линии похожие на линии индукции магнитного поля. Это вихревое электрическое поле.

ЭДС индукции в неподвижном проводнике, помещенном в переменное магнитное поле равна работе вихревого электрического поля перемещающего заряды вдоль этого проводника.

Токи Фуко (французский физик)

Польза и вред индукционных токов в массивных проводниках.

Где применяют ферриты? Почему в них не возникают вихревые токи?

Закрепление изученного материала

Объяснить природу сторонних сил действующих в неподвижных проводниках.

– Разница между электростатическим и вихревым электрическими полями.

– Плюсы и минусы токов Фуко.

– Почему не возникают вихревые токи в ферритовых сердечниках?

– Вычислить ЭДС индукции в контуре проводника, если магнитный поток изменился за 0,3 с на 0,06 Вб.

Решение. ξi= – ΔФ/Δt; ξi= – 0,06/0,3 = 0,2 B

Подведем итоги урока

Домашнее задание: § 12, повт. § 11, упр.2 № 5, 6.

  1. Цель урока: сформулировать количественный закон электромагнитной индукции; учащиеся должны усвоить, что такое ЭДС магнитной индукции и что такое магнитный поток. Ход урока Проверка домашнего задания…
  2. Цель урока: выяснить, какой причиной вызвана ЭДС индукции в движущихся проводниках, помещенных в постоянное магнитное поле; подвести учащихся к выводу, что действует на заряды сила…
  3. Цель урока: сформировать представление о магнитном поле как виде материи; расширить знания учащихся о магнитных взаимодействиях. Ход урока 1. Анализ контрольной работы 2. Изучение нового…
  4. Цель урока: сформировать у учащихся представление об электрическом и магнитном поле, как об едином целом – электромагнитном поле. Ход урока Проверка домашнего задания методом тестирования…
  5. Цель урока: выяснить, как произошло открытие электромагнитной индукции; сформировать понятие об электромагнитной индукции, значение открытия Фарадея для современной электротехники. Ход урока 1. Анализ контрольной работы…
  6. Цель урока: сформировать представление о том, что изменение силы тока в проводнике создает вихревое воле, которое может или ускорять или тормозить движущиеся электроны. Ход урока…
  7. Цель урока: ввести понятие электродвижущей силы; получить закон Ома для замкнутой цепи; создать у учащихся представление о различии между ЭДС, напряжением и разностью потенциалов. Ход…
  8. Цель урока: познакомить учащихся с историей борьбы концепций близкодействия и действия на расстоянии; с недостатками теорий, ввести понятие напряженности электрического поля, формировать умение изображать электрические…
  9. Цель урока: на основе модели металлического проводника изучить явление электростатической индукции; выяснить поведение диэлектриков в электростатическом поле; ввести понятие диэлектрической проницаемости. Ход урока Проверка домашнего…
  10. Цель урока: сформировать представление учащихся об электрическом токе; рассмотреть условия, необходимые для существования электрического тока. Ход урока 1. Анализ контрольной работы 2. Изучение нового материала…
  11. Цель урока: проверить знания учащихся по вопросам изученной темы, совершенствовать навыки решения задач различных видов. Ход урока Проверка домашнего задания Ответы учащихся по подготовленным дома…
  12. Цель урока: рассмотреть устройство и принцип действия трансформаторов; привести доказательства, что электрический ток никогда не имел бы такого широкого применения, если бы в свое время…
  13. Цель урока: продолжать формирование у учащихся единство колебательных процессов различной природы. Ход урока 1. Анализ контрольной работы. 2. Изучение нового материала При изучении электромагнитных колебаний…
  14. Цель урока: сформировать представление о том, что магнитные поля образуются не только электрическим током, но и постоянными магнитами; рассмотреть область применения постоянных магнитов. Наша планета…
  15. Цель урока: сформировать представление об энергии, которой обладает электрический ток в проводнике и энергии магнитного поля, созданного током. Ход урока Проверка домашнего задания методом тестирования…

Урок 15. Вихревое электрическое поле. ЭДС-индукции в движущихся проводниках

Цель: выяснить условия возникновения ЭДВ в движущихся проводниках.

Ход урока

I. Организационный момент

II. Повторение

В чем заключается явление электромагнитной индукции?

Какие условия необходимы для существования явления электромагнитной индукции?

Как устанавливается направление индукционного тока правилом Ленца?

По какой формуле определяется ЭДС индукции и какой физический смысл имеет знак «минус» в этой формуле?

III. Изучение нового материала

Возьмем трансформатор. Включив одну из обмоток в сеть переменного тока, получим ток в другой катушке. На свободные заряды действует электрическое поле.

Электроны в неподвижном проводнике приводятся в движение электрическим полем, и электрическое поле непосредственно порождается переменным магнитным полем. Изменяясь во времени, магнитное поле порождает электрическое поле. Поле приводит в движение электроны в проводнике и тем самым обнаруживает себя. Электрическое поле, возникающее при изменении магнитного поля, имеет другую структуру, чем электростатическое. Оно не связано с зарядами, оно нигде не начинается и нигде не заканчивается. Представляет собой замкнутые линии. Его называют вихревым электрическим полем. Но в отличие от стационарного электрического поля, работа вихревого поля по замкнутому пути не равна нулю.

Индукционный ток в массивных проводниках называют токами Фуко.

Применение: плавка металлов в вакууме.

Вредное действие: бесполезная потеря энергии в сердечниках трансформаторов и в генераторах.

ЭДС при движении проводника в магнитном поле

При движении перемычки U на электроны действует сила Лоренца, совершающая работу. Электроны перемещаются от С к Л. Перемычка-источник ЭДС, следовательно,

Формула используется в любом проводнике, движущемся в магнитном поле, если Если между векторами есть угол α, то используется формула:

Так как то

Причина возникновения ЭД C — сила Лоренца. Знак е можно определить по правилу правой руки.

IV. Закрепление изученного материала

Какое поле называется индукционными или вихревым электрическим полем?

Что является источником индукционного электрического поля?

Что такое токи Фуко? Приведите примеры их использования. В каких случаях с ними приходится бороться?

Какими отличительными свойствами обладает индукционное электрическое поле по сравнению с магнитным полем? Стационарным или электростатическим полем?

V. Подведение итогов урока

Домашнее задание

п. 12; 13.

Тема. Закон электромагнитной индукции

Цель урока: ознакомить учащихся с законом электромагнитной индукции.

Тип урока: урок изучения нового материала.

ПЛАН УРОКА

Контроль знаний

1. Поток магнитной индукции.

2. Явление электромагнитной индукции.

3. Правило Ленца.

Демонстрации

1. Зависимость ЭДС индукции от скорости изменения магнитного потока.

2. Фрагменты видеофильма «Явление электромагнитной индукции».

Изучение нового материала

1. Закон электромагнитной индукции.

2. Вихревое электрическое поле.

3. ЭДС индукции в движущихся проводниках.

Закрепление изученного материала

1. Качественные вопросы.

2. Учимся решать задачи.

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Откуда же берутся посторонние силы, которые действуют на заряды в контуре? В случае неподвижного относительно наблюдателя проводника причина появления посторонних сил — переменное магнитное поле. Дело в том, что переменное магнитное поле порождает в окружающем пространстве электрическое поле — именно оно действует на свободные заряженные частицы в проводнике. Но порождение электрического поля магнитным полем происходит даже там, где нет ведущего контура и не возникает электрический ток. Как видим, магнитное поле может не только передавать магнитные взаимодействия, но и быть причиной появления другой формы материи — электрического поля.

Однако электрическое поле, порождаемое переменным магнитным полем, имеет существенное отличие от поля, созданного заряженными частицами.

Электрическое поле, создаваемое переменным магнитным полем, является вихревым, то есть его силовые линии являются замкнутыми.

Вихревое электрическое поле имеет некоторые особенности:

1) поле проявляет себя через силовое воздействие на заряженные частицы, поэтому основной характеристикой вихревого электрического поля является напряженность ;

2) в отличие от электростатического поля, линии напряженности вихревого электрического поля являются замкнутыми. Направление этих линий можно определить с помощью, например, левой руки, как показано на рисунке:

3) в отличие от электростатического поля, работа вихревого электрического поля по замкнутой траектории не равна нулю (вихревое электрическое поле является непотенціальним).

Рассмотрим проводник длиной l , движущегося поступательно в однородном магнитном поле с индукцией со скоростью , напрямленою под углом к линиям магнитной индукции поля.

На электроны, движущиеся вместе с проводником в магнитном поле, действует сила Лоренца, направленная вдоль проводника. Ее модуль

где q 0 — заряд свободной заряженной частицы. Под действием этой силы происходит разделение зарядов — свободные заряженные частицы сместятся к одному концу проводника, а на другом конце возникнет их нехватка, то есть будет превышать заряд противоположного знака. Следовательно, в этом случае сторонняя сила — это сила Лоренца. Разделение зарядов приведет к появлению электрического поля, что будет препятствовать дальнейшему разделению зарядов. Этот процесс прекратится, когда сила Лоренца и сила = q 0 уравновесят друг друга. Следовательно, внутри проводника напряженность электрического поля E = B sin , а разность потенциалов на концах проводника U = El = B lsin . Поскольку мы рассматриваем разомкнутое круг, разность потенциалов на концах проводника равна ЭДС индукции в этом проводнике. Таким образом,

Если такой проводник замкнуть, то по кругу пройдет электрический ток. Таким образом, движущийся в магнитном поле проводник можно рассматривать как своеобразный источник тока характеризуется ЭДС индукции.

ВОПРОС К УЧАЩИМСЯ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Первый уровень

1. Почему в неподвижных проводниках, находящихся в переменном магнитном поле, возникает индукционный ток?

2. Какова причина возникновения индукционного тока при движении проводника в постоянном магнитном поле?

3. Какие особенности вихревого электрического поля?

Второй уровень

1. Какова природа сторонних сил, которые обусловливают появление индукционного тока в неподвижном проводнике?

2. Почему закон электромагнитной индукции формулируют для ЭДС, а не для силы тока?

3. Какова природа ЭДС индукции в проводнике, движущемся в магнитном поле?

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

) . Качественные вопросы

1. Почему от удара молнии иногда перегорают предохранители даже выключенного из розетки прибора?

2. Почему для обнаружения индукционного тока замкнутый проводник лучше брать в виде катушки, а не в виде прямолинейного провода?

) . Учимся решать задачи

1. С помощью гибких проводов прямолинейный проводник длиной 60 см присоединен к источнику постоянного тока с ЭДС 12 В и внутренним сопротивлением 0,5 Ом. Проводник движется в однородном магнитном поле индукцией 1,6 Тл со скоростью 12,5 м/с перпендикулярно к линиям магнитной индукции. Определите силу тока в проводнике, если сопротивление внешней цепи равно 2,5 Ом.

Переменное магнитное поле порождает инду­цированное электрическое поле . Если магнитное поле постоянно, то индуциро­ванного электрического поля не возникнет. Следовательно, индуцированное электрическое поле не связано с зарядами , как это имеет место в случае элект­ростатического поля; его силовые линии не начинаются и не заканчиваются на зарядах, а замкнуты сами на себя , подобно силовым линиям магнитного поля. Это означает, что индуцированное электрическое поле , подобно магнитному, является вихревым.

Если неподвижный проводник поместить в переменное магнитное поле, то в нем индуцируется э. д. с. Электроны приводятся в направленное движение электрическим полем, индуцированным переменным магнитном полем; возни­кает индуцированный электрический ток. В этом случае проводник является лишь индикатором индуцированного электрического поля. Поле приводит в движение свободные электроны в проводнике и тем самым обнаруживает себя. Теперь можно утверждать, что и без проводника это поле существует, обладая запасом энергии.

Сущность явления электромагнитной индукции заключается не столько в появлении индуцированного тока, сколько в возникновении вихревого электрического поля.

Это фундаментальное положение электродинамики установлено Максвел­лом как обобщение закона электромагнитной индукции Фарадея.

В отличие от электростатического поля индуцированное электрическое поле является непотенциальным, так как работа, совершаемая в индуцированном электрическом поле, при перемещении единичного положительного заряда по замкнутому контуру равна э. д. с. индукции, а не нулю.

Направление вектора напряженности вихревого электрического поля уста­навливается в соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея и правилом Ленца. Направление силовых линий вихревого эл. поля совпадает с направлением индукционного тока.

Так как вихревое электрическое поле существует и в отсутствие проводника, то его можно применять для ускорения заряженных частиц до скоростей, со­измеримых со скоростью света. Именно на использовании этого принципа основано действие ускорителей электронов — бетатронов.

Индукционное электрическое поле имеет совершенно другие свойства в отличии от электростатического поля.

Отличие вихревого электрического поля от электростатического

1) Оно не связано с электрическими зарядами;
2) Силовые линии этого поля всегда замкнуты;
3) Работа сил вихревого поля по перемещению зарядов на замкнутой траектории не равна нулю.

электростатическое поле

индукционное электрическое поле
(вихревое электр. поле)

1. создается неподвижными электр. зарядами 1. вызывается изменениями магнитного поля
2. силовые линии поля разомкнуты — потенциальное поле 2. силовые линии замкнуты — вихревое поле
3. источниками поля являются электр. заряды 3. источники поля указать нельзя
4. работа сил поля по перемещению пробного заряда по замкнутому пути = 0. 4. работа сил поля по перемещению пробного заряда по замкнутому пути = ЭДС индукции

Глава 23. Закон электромагнитной индукции

Если в магнитном поле находится замкнутый проводящий контур, не содержащий источников тока, то при изменении магнитного поля в контуре возникает электрический ток. Это явление называется электромагнитной индукцией. Появление тока свидетельствует о возникновении в контуре электрического поля, которое может обеспечить замкнутое движение электрических зарядов или, другими словами, о возникновении ЭДС. Электрическое поле, которое возникает при изменении поля магнитного и работа которого при перемещении зарядов по замкнутому контуру не равна нулю, имеет замкнутые силовые линии и называется вихревым.

Для количественного описания электромагнитной индукции вводится понятие магнитного потока (или потока вектора магнитной индукции) через замкнутый контур. Для плоского контура, расположенного в однородном магнитном поле (а только такие ситуации и могут встретиться школьникам на едином государственном экзамене), магнитный поток определяется как

(23.1)

где — индукция поля, — площадь контура, — угол между вектором индукции и нормалью (перпендикуляром) к плоскости контура (см. рисунок; перпендикуляр к плоскости контура показан пунктиром). Единицей магнитного потока в международной системе единиц измерений СИ является Вебер (Вб), который определяется как магнитный поток через контур площади 1 м2 однородного магнитного поля с индукцией 1 Тл, перпендикулярной плоскости контура.

Величина ЭДС индукции , возникающая в контуре при изменении магнитного потока через этот контур, равна скорости изменения магнитного потока

(23.2)

Здесь — изменение магнитного потока через контур за малый интервал времени . Важным свойством закона электромагнитной индукции (23.2) является его универсальность по отношению к причинам изменения магнитного потока: магнитный поток через контур может меняться из-за изменения индукции магнитного поля, изменения площади контура или изменения угла между вектором индукции и нормалью, что происходит при вращении контура в поле. Во всех этих случаях по закону (23.2) в контуре будет возникать ЭДС индукции и индукционный ток.

Знак минус в формуле (23.2) «отвечает» за направление тока, возникающего в результате электромагнитной индукции (правило Ленца). Однако понять на языке закона (23.2), к какому направлению индукционного тока приведет этот знак при том или ином изменении магнитного потока через контур, не так-то просто. Но достаточно легко запомнить результат: индукционный ток будет направлен таким образом, что созданное им магнитное поле будет «стремиться» компенсировать то изменение внешнего магнитного поля, которое этот ток и породило. Например, при увеличении потока внешнего магнитного поля через контур в нем возникнет индукционный ток, магнитное поле которого будет направлено противоположно внешнему магнитному полю так, чтобы уменьшить внешнее поле и сохранить, таким образом, первоначальную величину магнитного поля. При уменьшении потока поля через контур поле индукционного тока будет направлено так же, как и внешнее магнитное поле.

Если в контуре с током ток в силу каких-то причин изменяется, то изменяется и магнитный поток через контур того магнитного поля, которое создано самим этим током. Тогда по закону (23.2) в контуре должна возникать ЭДС индукции. Явление возникновения ЭДС индукции в некоторой электрической цепи в результате изменения тока в самой этой цепи называется самоиндукцией. Для нахождения ЭДС самоиндукции в некоторой электрической цепи необходимо вычислить поток магнитного поля, создаваемого этой цепью через нее саму. Такое вычисление представляет собой сложную проблему из-за неоднородности магнитного поля. Однако одно свойство этого потока является очевидным. Поскольку магнитное поле, создаваемого током в цепи, пропорционально величине тока, то и магнитный поток собственного поля через цепь пропорционален току в этой цепи

(23.3)

где — сила тока в цепи, — коэффициент пропорциональности, который характеризует «геометрию» цепи, но не зависит от тока в ней и называется индуктивностью этой цепи. Единицей индуктивности в международной системе единиц СИ является Генри (Гн). 1 Гн определяется как индуктивность такого контура, поток индукции собственного магнитного поля через который равен 1 Вб при силе тока в нем 1 А. С учетом определения индуктивности (23.3) из закона электромагнитной индукции (23.2) получаем для ЭДС самоиндукции

(23.4)

Благодаря явлению самоиндукции ток в любой электрической цепи обладает определенной «инерционностью» и, следовательно, энергией. Действительно, для создания тока в контуре необходимо совершить работу по преодолению ЭДС самоиндукции. Энергия контура с током и равна этой работе. Необходимо запомнить формулу для энергии контура с током

(23.5)

где — индуктивность контура, — сила тока в нем.

Явление электромагнитной индукции широко применяется в технике. На нем основано создание электрического тока в электрических генераторах и электростанциях. Благодаря закону электромагнитной индукции происходит преобразование механических колебаний в электрические в микрофонах. На основе закона электромагнитной индукции работает, в частности, электрическая цепь, которая называется колебательным контуром (см. следующую главу), и которая является основой любой радиопередающей или радиопринимающей техники.

Рассмотрим теперь задачи.

Из перечисленных в задаче 23.1.1 явлений только одно есть следствие закона электромагнитной индукции — появление тока в кольце при проведении сквозь него постоянного магнита (ответ 3). Все остальное — результат магнитного взаимодействия токов.

Как указывалось во введении к настоящей главе, явление электромагнитной индукции лежит в основе работы генератора переменного тока (задача 23.1.2), т.е. прибора, создающего переменный ток, заданной частоты (ответ 2).

Индукция магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом, уменьшается с увеличением расстояния до него. Поэтому при приближении магнита к кольцу (задача 23.1.3) поток индукции магнитного поля магнита через кольцо изменяется, и в кольце возникает индукционный ток. Очевидно, это будет происходить при приближении магнита к кольцу и северным, и южным полюсом. А вот направление индукционного тока в этих случаях будет различным. Это связано с тем, что при приближении магнита к кольцу разными полюсами, поле в плоскости кольца в одном случае будет направлено противоположно полю в другом. Поэтому для компенсации этих изменений внешнего поля магнитное поле индукционного тока должно быть в этих случаях направлено по-разному. Поэтому и направления индукционных токов в кольце будут противоположными (ответ 4).

Для возникновения ЭДС индукции в кольце необходимо, чтобы менялся магнитный поток через кольцо. А поскольку магнитная индукция поля магнита зависит от расстояния до него, то в рассматриваемом в задаче 23.1.4 случае поток через кольцо будет меняться, в кольце возникнет индукционный ток (ответ 1).

При вращении рамки 1 (задача 23.1.5) угол между линиями магнитной индукции (а, значит, и вектором индукции) и плоскостью рамки в любой момент времени равен нулю. Следовательно, магнитный поток через рамку 1 не изменяется (см. формулу (23.1)), и индукционный ток в ней не возникает. В рамке 2 индукционный ток возникнет: в положении показанном на рисунке, магнитный поток через нее равен нулю, когда рамка повернется на четверть оборота — будет равен , где — индукция, — площадь рамки. Еще через четверть оборота поток снова будет равен нулю и т.д. Поэтому поток магнитной индукции через рамку 2 изменяется в процессе ее вращения, следовательно, в ней возникает индукционный ток (ответ 2).

В задаче 23.1.6 индукционный ток возникает только в случае 2 (ответ 2). Действительно, в случае 1 рамка при движении остается на одном и том же расстоянии от проводника, и, следовательно, магнитное поле, созданное этим проводником в плоскости рамки, не изменяется. При удалении рамки от проводника магнитная индукция поля проводника в области рамки изменяется, меняется магнитный поток через рамку, и возникает индукционный ток

В законе электромагнитной индукции утверждается, что индукционный ток в кольце будет течь в такие моменты времени, когда изменяется магнитный поток через это кольцо. Поэтому пока магнит покоится около кольца (задача 23.1.7) индукционный ток в кольце течь не будет. Поэтому правильный ответ в этой задаче — 2.

Согласно закону электромагнитной индукции (23.2) ЭДС индукции в рамке определяется скоростью изменения магнитного потока через нее. А поскольку по условию задачи 23.1.8 индукция магнитного поля в области рамки изменяется равномерно, скорость ее изменения постоянна, величина ЭДС индукции не изменяется в процессе проведения опыта (ответ 3).

В задаче 23.1.9 ЭДС индукции, возникающая в рамке во втором случае, вчетверо больше ЭДС индукции, возникающей в первом (ответ 4). Это связано с четырехкратным увеличением площади рамки и, соответственно, магнитного потока через нее во втором случае.

В задаче 23.1.10 во втором случае в два раза увеличивается скорость изменения магнитного потока (индукция поля меняется на ту же величину, но за вдвое меньшее время). Поэтому ЭДС электромагнитной индукции, возникающая в рамке во втором случае, в два раза больше, чем в первом (ответ 1).

При увеличении тока в замкнутом проводнике в два раза (задача 23.2.1), величина индукции магнитного поля возрастет в каждой точке пространства в два раза, не изменившись по направлению. Поэтому ровно в два раза изменится магнитный поток через любую малую площадку и, соответственно, и весь проводник (ответ 1). А вот отношение магнитного потока через проводник к току в этом проводнике, которое и представляет собой индуктивность проводника , при этом не изменится (задача 23.2.2 — ответ 3).

Используя формулу (23.3) находим в задаче 32.2.3 Гн (ответ 4).

Связь между единицами измерений магнитного потока, магнитной индукции и индуктивности (задача 23.2.4) следует из определения индуктивности (23.3): единица магнитного потока (Вб) равна произведению единицы тока (А) на единицу индуктивности (Гн) — ответ 3.

Согласно формуле (23.5) при двукратном увеличении индуктивности катушки и двукратном уменьшении тока в ней (задача 23.2.5) энергия магнитного поля катушки уменьшится в 2 раза (ответ 2).

Когда рамка вращается в однородном магнитном поле, магнитный поток через рамку меняется из-за изменения угла между перпендикуляром к плоскости рамки и вектором индукции магнитного поля. А поскольку и в первом и втором случае в задаче 23.2.6 этот угол меняется по одному и тому же закону (по условию частота вращения рамок одинакова), то ЭДС индукции меняются по одному и тому же закону, и, следовательно, отношение амплитудных значений ЭДС индукции в рамках равно единице (ответ 2).

Магнитное поле, создаваемое проводником с током в области рамки (задача 23.2.7), направлено «от нас» (см. решение задач главы 22). Величина индукции поля провода в области рамки при ее удалении от провода будет уменьшаться. Поэтому индукционный ток в рамке должен создать магнитное поле, направленное внутри рамки «от нас». Используя теперь правило буравчика для нахождения направления магнитной индукции, заключаем, что индукционный ток в рамке будет направлен по часовой стрелке (ответ 1).

При увеличении тока в проводе будет возрастать созданное им магнитное поле и в рамке возникнет индукционный ток (задача 23.2.8). В результате возникнет взаимодействие индукционного тока в рамке и тока в проводнике. Чтобы найти направление этого взаимодействия (притяжение или отталкивание) можно найти направление индукционного тока, а затем по формуле Ампера силу взаимодействия рамки с проводом. Но можно поступить и по-другому, используя правило Ленца. Все индукционные явления должны иметь такое направление, чтобы компенсировать вызывающую их причину. А поскольку причина — увеличение тока в рамке, сила взаимодействия индукционного тока и провода должна стремиться уменьшить магнитный поток поля провода через рамку. А поскольку магнитная индукция поля провода убывает с увеличением расстояния до него, то эта сила будет отталкивать рамку от провода (ответ 2). Если бы ток в проводе убывал, то рамка притягивалась бы к проводу.

Задача 23.2.9 также связана с направлением индукционных явлений и правилом Ленца. При приближении магнита к проводящему кольцу в нем возникнет индукционный ток, причем направление его будет таким, чтобы компенсировать вызывающую его причину. А поскольку эта причина — приближение магнита, кольцо будет отталкиваться от него (ответ 2). Если магнит отодвигать от кольца, то по тем же причинам возникло бы притяжение кольца к магниту.

Задача 23.2.10 — единственная вычислительная задача в этой главе. Для нахождения ЭДС индукции нужно найти изменение магнитного потока через контур . Это можно сделать так. Пусть в некоторый момент времени перемычка находилась в положении, показанном на рисунке, и пусть прошел малый интервал времени . За этот интервал времени перемычка переместится на величину . Это приведет к увеличению площади контура на величину . Поэтому изменение магнитного потока через контур будет равно , а величина ЭДС индукции (ответ 4).

План-конспект урока по физике. Тема: Вихревое электрическое поле ❤️

Цель урока: сформировать понятие, что ЭДС индукции может возникать или в неподвижном проводнике, помещенном в изменяющееся магнитное поле, или в движущемся проводнике, находящемся в постоянном магнитном поле; закон электромагнитной индукции справедлив в обоих случаях, а происхождение ЭДС различно.

Ход урока

Проверка домашнего задания методом фронтального опроса и решения задач

1. Какая величина изменяется пропорционально скорости изменения магнитного потока?

2. Работа, каких сил создает ЭДС

индукции?

3. Сформулировать и записать формулу закона электромагнитной индукции.

4. В законе электромагнитной индукции стоит знак «минус». Почему?

5. Какова, ЭДС индукции в замкнутом витке провода, сопротивление которого 0,02 Ом, а индукционный ток 5 А .

Решение. Ii = ξi /R; ξi= Ii·R; ξi= 5·0,02= 0,1 B

Изучение нового материала

Рассмотрим, как возникает ЭДС индукции в неподвижном проводнике, находящимся в переменном магнитном поле. Проще всего это понять на примере работы трансформатора.

Одна катушка замыкается на

сеть переменного тока, если вторая катушка замкнута, то в ней возникает ток. Электроны в проводах вторичной обмотки придут в движение. Какие же силы двигают свободные электроны? Магнитное поле сделать этого не может, так как действует только на движущиеся электрические заряды.

Свободные электроны приходят в движение под действием электрического поля, которое было создано переменным магнитным полем.

Таким образом, мы подошли к понятию нового фундаментального свойства полей: изменяясь во времени, магнитное поле порождает электрическое поле. Этот вывод сделал Дж. Максвелл.

Таким образом, в явлении электромагнитной индукции – главное – это создание магнитным полем электрического поля. Это поле приводит в движение свободные заряды.

Структура этого поля другая, чем у электростатического. Оно не связано с электрическими зарядами. Линии напряженности не начинаются на положительных и не заканчиваются на отрицательных зарядах. Такие линии не имеют начала и конца – это замкнутые линии похожие на линии индукции магнитного поля. Это вихревое электрическое поле.

ЭДС индукции в неподвижном проводнике, помещенном в переменное магнитное поле равна работе вихревого электрического поля перемещающего заряды вдоль этого проводника.

Токи Фуко (французский физик )

Польза и вред индукционных токов в массивных проводниках.

Где применяют ферриты? Почему в них не возникают вихревые токи?

Закрепление изученного материала

Объяснить природу сторонних сил действующих в неподвижных проводниках.

— Разница между электростатическим и вихревым электрическими полями.

— Плюсы и минусы токов Фуко.

— Почему не возникают вихревые токи в ферритовых сердечниках?

— Вычислить ЭДС индукции в контуре проводника, если магнитный поток изменился за 0,3 с на 0,06 Вб.

Решение. ξi= — ΔФ/Δt; ξi= — 0,06/0,3 = 0,2 B

Подведем итоги урока

Домашнее задание: § 12, повт. § 11, упр.2 № 5, 6.

Изменяющееся магнитное поле — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 3

Изменяющееся магнитное поле

Cтраница 3

Да; когда это поле создано изменяющимся магнитным полем. Да; когда магнитное поле создано изменяющимся электрическим полем, например в конденсаторе.  [31]

Согласно второму основному положению теории Максвелла, изменяющееся магнитное поле вызывает появление вихревого электрического поля.  [32]

Как отмечалось, Фарадей установил зависимость: изменяющееся магнитное поле порождает электрическое. В последующем Максвеллом было доказано, что изменяющееся электрическое поле порождает магнитное. Эти два явления и лежат в основе образования электромагнитных полей.  [33]

Если в плоскости, перпендикулярной к направлению изменяющегося магнитного поля, поместить проволочное кольцо ( рис. 6.8, а), то в нем возникнет ток, направление которого можно определить по правилу Ленца.  [34]

Обмотка, имеющая 50 витков, пронизывается изменяющимся магнитным полем. Какова скорость изменения магнитного потока, если в катушке возникает эдс 100 В.  [35]

Обмотка, имеющая 50 витков, пронизывается изменяющимся магнитным полем. Какова скорость изменения магнитного потока, если в катушке возникает эдс 100 В.  [36]

Из рис. V.16 и V.17 следует, что изменяющееся магнитное поле при протекании тока в одной катушке может наводить ток в другой катушке, расположенной вблизи первой. Это явление называется взаимоиндукцией. На принципе взаимоиндукции основано действие всех трансформаторов.  [38]

Для этой цели тигель с металлом помещают в изменяющееся магнитное поле, которое индуктирует вихревые токи, расплавляющие металл.  [40]

Возникновение свободного электромагнитного поля обусловлено тем, что быстро изменяющееся магнитное поле вызывает в пространстве переменное электрическое поле, а быстро изменяющееся электрическое поле возбуждает переменное магнитное, которое совместно с возникшим электрическим удаляется от вибратора. Условимся изображать свободное магнитное поле в местах пересечения его линий с плоскостью рисунка крестиками и точками в кружочках, а связанное магнитное поле — без кружочков.  [41]

Электрическое поле создается электрическими зарядами, а также изменяющимся магнитным полем. Магнитное поле создается движущимися заряженными частицами, а также изменяющимся электрическим полем.  [42]

В первом случае возникновение ЭДС индукции обусловлено тем, что изменяющееся магнитное поле, в котором находится неподвижный контур, вызывает появление в нем электрического поля, по своим свойствам сильно отличающегося и от электростатического поля и от стационарного электрического поля постоянного тока. Электрическое поле, появляющееся при изменении магнитного поля, называют индукционным электрическим полем.  [43]

Третий закон — закон электромагнитной индукции Фа-радея, согласно которому изменяющееся магнитное поле порождает вихревое электрическое поле. Четвертый закон является обобщением закона Био — Савара — Лапласа.  [44]

Страницы:      1    2    3    4

Определение понятия индукционного тока | Авторская платформа Pandia.ru

Физика | Эта статья также находится в списках: магнитное поле, работа | Постоянная ссылка

Русский физик Э. X. Ленц дал правило для определения направления индукционного тока. Индукционный ток всегда направлен так, что создаваемое им магнитное поле затрудняет или тормозит вызывающее индукцию движение. Например, при приближении катушки к магниту возникающий индукционный ток имеет такое направление, что созданное им магнитное поле будет противоположно магнитному полю магнита. В результате между катушкой и магнитом возникают силы отталкивания. Правило Ленца вытекает из закона сохранения и превращения энергии. Если бы индукционные токи ускоряли вызывающее их движение, то создавалась бы работа из ничего. Катушка сама собой после небольшого толчка устремлялась бы навстречу магниту, и одновременно индукционный ток выделял бы в ней теплоту. В действительности же индукционный ток создается за счет работы по сближению магнита и катушки. Почему возникает индукционный ток? Глубокое объяснение явления электромагнитной индукции дал английский физик Джемс Клерк-Максвелл — творец законченной математической теории электромагнитного поля.

Чтобы лучше понять суть дела, рассмотрим очень простой опыт. Пусть катушка состоит из одного витка проволоки и пронизывается переменным магнитным полем, перпендикулярным к плоскости витка. В катушке, естественно, возникает индукционный ток. Исключительно смело и неожиданно истолковал этот эксперимент Максвелл. При изменении магнитного поля в пространстве, по мысли Максвелла, возникает процесс, для которого присутствие проволочного витка не имеет никакого значения. Главное здесь — возникновение замкнутых кольцевых линий электрического поля, охватывающих изменяющееся магнитное поле.

Под действием возникающего электрического поля приходят в движение электроны, и в витке возникает электрический ток. Виток — это просто прибор, позволяющий обнаружить электрическое поле. Сущность же явления электромагнитной индукции в том, что переменное магнитное поле всегда порождает в окружающем пространстве электрическое поле с замкнутыми силовыми линиями. Такое поле называется вихревым. До сих пор мы имели дело с электрическим полем, создаваемым неподвижными электрическими зарядами.

Силовые линии такого поля начинаются на положительных зарядах и оканчиваются на отрицательных, т. е. не замкнуты. Такое поле, напомним, называется потенциальным: работа сил этого поля при перемещении электрического заряда не зависит от формы пути. Вихревое поле не потенциально. Работа по перемещению электрического заряда в вихревом поле зависит от формы пути. Но все же это электрическое поле. Оно обладает главными свойствами электрического поля — способностью действовать на электрический заряд.

Энергия магнитного поля — презентация на Slide-Share.ru 🎓

1

Первый слайд презентации: Энергия магнитного поля

Явление возникновения ЭДС индукции полностью подчиняется закону сохранения энергии. При этом она равна работе против сил ЭДС самоиндукции, возникающей при замыкании цепи. Энергия магнитного поля 1

Изображение слайда

2

Слайд 2: Энергия магнитного поля

L — индуктивность контура; I — сила тока в контуре; Δ t — промежуток времени; — магнитный поток; — заряд, прошедший через контур; — работа источника тока; Энергия магнитного поля 2

Изображение слайда

3

Слайд 3: Объёмная плотность энергии

Магнитное поле соленоида V Объемная плотность энергии магнитного поля — величина, равная энергии магнитного поля, заключенной в единичном объеме этого поля. Объёмная плотность энергии 3

Изображение слайда

4

Слайд 4

– + – 4

Изображение слайда

5

Слайд 5: Гипотеза Максвелла

– – – – – – – – – – – – – – – – – – Гипотеза: электроны в неподвижном проводнике приводятся в движение электрическим полем, и это поле непосредственно порождается переменным магнитным полем. – – – – – – – – – – – Индуцированное электрическое поле — это поле, созданное переменным магнитным полем. Физический смысл явления электромагнитной индукции: возникновение индуцированного электрического поля, вызванного изменением магнитного поля. Джеймс Клерк Максвелл Гипотеза Максвелла 5

Изображение слайда

6

Слайд 6

Отличие индуцированного электрического поля от электростатического и стационарного электрический полей вызвано переменным магнитным полем линии напряженности индуцированного поля — это замкнутые линии Индуцированное поле — вихревое поле не является потенциальным 6

Изображение слайда

7

Слайд 7: Переменное электрическое поле

Джеймс Клерк Максвелл «Переменное электрическое поле создает в окружающем его простран­стве вихревое магнитное поле, линии индукции которого охватывают ли­нии напряженности переменного электрического поля». I + – 1865 год Переменное электрическое поле 7

Изображение слайда

8

Слайд 8: Магнитное поле конденсатора

I + – Магнитное поле создается не только током в проводнике, но и изменяющимся электрическим полем, существующим в пространстве между обкладками конденсатора. Магнитное поле конденсатора 8

Изображение слайда

9

Слайд 9: Электромагнитное поле

Вихревое электрическое и магнитное поля «сцеплены» друг с дру­гом, существуют одновременно и взаимно порождают друг друга. Совокупность неразрывно связанных друг с другом вихревых электрического и магнитного полей называют электромагнитным полем. Электромагнитное поле 9

Изображение слайда

10

Слайд 10: Электромагнитное поле

Нельзя создать переменное магнитное поле без того, чтобы одновременно в пространстве не возникло и электрическое поле. Переменное электрическое поле не может существовать отдельно без магнитного поля. Отдельное рассмотрение электрического и магнитного полей имеет только относительный смысл. I + – S N Электромагнитное поле 10

Изображение слайда

11

Слайд 11

Электромагнитное поле x y z O x y z O 11

Изображение слайда

12

Слайд 12

Электромагнитное поле x y z O x y z O 12

Изображение слайда

13

Слайд 13

Электромагнитное поле — особый вид материи, посредством которой осуществляются электромагнитные взаимодействия в природе. Электромагнитное поле 13

Изображение слайда

14

Последний слайд презентации: Энергия магнитного поля: Основные выводы:

Магнитное поле, на подобие электрического, обладает энергией, прямо пропорциональной квадрату силы тока. Переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле и наоборот. Электромагнитное поле — это особый вид материи, посредством которой осуществляются электромагнитные взаимодействия в природе. Отдельное рассмотрение электрического и магнитного полей имеет только относительный смысл. Основные выводы: 14

Изображение слайда

Что такое закон индукции Фарадея?

Закон индукции Фарадея описывает, как электрический ток создает магнитное поле и, наоборот, как изменяющееся магнитное поле генерирует электрический ток в проводнике. Английский физик Майкл Фарадей получил признание за открытие магнитной индукции в 1830 году; однако, по данным Техасского университета, американский физик Джозеф Генри, независимо друг от друга, сделал то же открытие примерно в то же время.

Значение открытия Фарадея невозможно переоценить.Магнитная индукция позволяет создавать электродвигатели, генераторы и трансформаторы, которые составляют основу современных технологий. Понимая и используя индукцию, мы получаем электрическую сеть и многие вещи, которые мы к ней подключаем.

Позже закон Фарадея был включен в более полные уравнения Максвелла, по словам Майкла Дабсона, профессора физики в Университете Колорадо в Боулдере. Уравнения Максвелла были разработаны шотландским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом, чтобы объяснить взаимосвязь между электричеством и магнетизмом, по сути объединив их в единую электромагнитную силу и описав электромагнитные волны, из которых состоят радиоволны, видимый свет и рентгеновские лучи.

Электричество

Электрический заряд — фундаментальное свойство материи, согласно Рочестерскому технологическому институту. Хотя трудно описать, что это на самом деле, мы хорошо знакомы с тем, как он ведет себя и взаимодействует с другими зарядами и полями. По словам Серифа Урана, профессора физики в Питтсбургском государственном университете, электрическое поле от локализованного точечного заряда относительно просто. Он описывает его как излучающий одинаково во всех направлениях, как свет от голой лампочки, и уменьшающийся в силе как обратный квадрат расстояния (1/ r 2 ) в соответствии с законом Кулона.Когда вы отодвигаетесь вдвое дальше, напряженность поля уменьшается до одной четвертой, а когда вы удаляетесь в три раза дальше, она уменьшается до одной девятой.

Протоны имеют положительный заряд, а электроны — отрицательный. Однако протоны в основном иммобилизованы внутри атомных ядер, поэтому перенос заряда из одного места в другое выполняют электроны. Электроны в проводящем материале, таком как металл, в значительной степени могут свободно перемещаться от одного атома к другому по своим зонам проводимости, которые являются высшими электронными орбитами.Достаточная электродвижущая сила (ЭДС) или напряжение вызывает дисбаланс заряда, который может заставить электроны перемещаться по проводнику из области с более отрицательным зарядом в область с более положительным зарядом. Это движение мы называем электрическим током.

Магнетизм

Чтобы понять закон индукции Фарадея, важно иметь базовые представления о магнитных полях. По сравнению с электрическим полем магнитное поле более сложное. По данным Государственного университета Сан-Хосе, хотя положительные и отрицательные электрические заряды могут существовать отдельно, магнитные полюса всегда приходят парами — северный и южный.Как правило, магниты всех размеров — от субатомных частиц до магнитов промышленных размеров до планет и звезд — являются диполями, то есть каждый из них имеет два полюса. Мы называем эти полюса северным и южным по направлению, в котором указывают стрелки компаса. Интересно, что поскольку противоположные полюса притягиваются и, как полюса, отталкиваются, северный магнитный полюс Земли на самом деле является южным магнитным полюсом, потому что он притягивает северные полюса стрелок компаса.

Магнитное поле часто изображают в виде линий магнитного потока.В случае стержневого магнита силовые линии выходят из северного полюса и изгибаются, чтобы снова войти в южный полюс. В этой модели количество силовых линий, проходящих через данную поверхность в пространстве, представляет собой плотность потока или напряженность поля. Однако следует отметить, что это всего лишь модель. Магнитное поле гладкое и непрерывное и на самом деле не состоит из дискретных линий.

Силовые линии магнитного поля от стержневого магнита. (Изображение предоставлено snapgalleria Shutterstock)

Магнитное поле Земли создает огромный магнитный поток, но он рассредоточен по огромному пространству.Следовательно, только небольшое количество потока проходит через данную область, что приводит к относительно слабому полю. Для сравнения, магнитный поток от магнита-холодильника крошечный по сравнению с магнитным потоком Земли, но его напряженность поля во много раз сильнее на близком расстоянии, где его силовые линии гораздо более плотно упакованы. Однако по мере удаления поле быстро становится намного слабее.

Индукция

Если пропустить через провод электрический ток, вокруг него возникнет магнитное поле.Направление этого магнитного поля можно определить по правилу правой руки. По данным физического факультета Университета штата Буффало в Нью-Йорке, если вы вытянете большой палец и согнете пальцы правой руки, ваш большой палец будет указывать в положительном направлении тока, а пальцы согнуты в северном направлении магнитного поля. .

Правило левой и правой руки для магнитного поля, вызванного током в прямом проводе. (Изображение предоставлено Фуадом А. Саадом Shutterstock)

Если вы согнете провод в петлю, силовые линии магнитного поля согнутся вместе с ним, образуя тороид или форму пончика.В этом случае ваш большой палец указывает в северном направлении магнитного поля, выходящего из центра петли, а ваши пальцы будут указывать в положительном направлении тока в петле.

В круговой петле с током (а) правило правой руки задает направление магнитного поля внутри и снаружи петли. (б) Более подробное отображение поля, которое похоже на поле стержневого магнита. (Изображение предоставлено OpenStax)

Если мы пропустим ток через проволочную петлю в магнитном поле, взаимодействие этих магнитных полей будет оказывать скручивающую силу или крутящий момент в петле, заставляя ее вращаться, согласно данным Рочестерского института. Технология.Однако он будет вращаться только до тех пор, пока магнитные поля не выровняются. Если мы хотим, чтобы петля продолжала вращаться, мы должны изменить направление тока, что изменит направление магнитного поля петли. Затем петля повернется на 180 градусов, пока ее поле не выровняется в другом направлении. Это основа электродвигателя.

И наоборот, если мы вращаем проволочную петлю в магнитном поле, поле будет индуцировать электрический ток в проводе. Направление тока меняется каждые пол-оборота, создавая переменный ток.Это основа электрогенератора. Здесь следует отметить, что это не движение провода, а скорее размыкание и замыкание петли по отношению к направлению поля, которое индуцирует ток. Когда петля обращена лицом к полю, через петлю проходит максимальное количество магнитного потока. Однако, когда петля повернута ребром к полю, силовые линии не проходят через петлю. Именно это изменение величины магнитного потока, проходящего через контур, вызывает ток.

Другой эксперимент, который мы можем провести, — сформировать из провода петлю и подключить концы к чувствительному измерителю тока или гальванометру.Если затем протолкнуть стержневой магнит через петлю, стрелка гальванометра переместится, указывая на индуцированный ток. Однако, как только мы останавливаем движение магнита, ток возвращается к нулю. Поле от магнита будет индуцировать ток только тогда, когда он увеличивается или уменьшается. Если мы вытащим магнит обратно, он снова вызовет ток в проводе, но на этот раз он будет в противоположном направлении.

Магнит в проволочной петле, подключенной к гальванометру. (Изображение предоставлено: Фуад А.Saad Shutterstock)

Если бы мы включили в цепь лампочку, она рассеивала бы электрическую энергию в виде света и тепла, и мы бы почувствовали сопротивление движению магнита, когда мы перемещали его внутрь и из контура. . Чтобы переместить магнит, мы должны выполнять работу, эквивалентную энергии, используемой лампочкой.

В еще одном эксперименте мы могли бы построить две проволочные петли, соединить концы одной с батареей с помощью переключателя и подключить концы другой петли к гальванометру.Если мы поместим две петли близко друг к другу лицом к лицу и включим питание первой петли, гальванометр, подключенный ко второй петле, покажет индуцированный ток, а затем быстро вернется к нулю.

Здесь происходит то, что ток в первом контуре создает магнитное поле, которое, в свою очередь, индуцирует ток во втором контуре, но только на мгновение, когда магнитное поле изменяется. Когда вы выключаете переключатель, счетчик на мгновение отклоняется в противоположном направлении.Это еще один признак того, что ток индуцирует изменение интенсивности магнитного поля, а не его сила или движение.

Объяснение этому состоит в том, что магнитное поле заставляет электроны в проводнике двигаться. Это движение называется электрическим током. В конце концов, однако, электроны достигают точки, в которой они находятся в равновесии с полем, и в этой точке они перестают двигаться. Затем, когда поле снимается или выключается, электроны возвращаются в свое исходное положение, создавая ток в противоположном направлении.

В отличие от гравитационного или электрического поля, магнитное дипольное поле представляет собой более сложную трехмерную структуру, сила и направление которой различаются в зависимости от места измерения, поэтому для ее полного описания требуется расчет. Однако мы можем описать упрощенный случай однородного магнитного поля — например, очень маленький участок очень большого поля — как Φ B = BA , где Φ B — абсолютное значение магнитного потока. , B, — это напряженность поля, а A, — определенная область, через которую проходит поле.И наоборот, в этом случае напряженность магнитного поля — это поток на единицу площади, или B = Φ B / A .

Закон Фарадея

Теперь, когда у нас есть базовое понимание магнитного поля, мы готовы определить закон индукции Фарадея. Он утверждает, что индуцированное напряжение в цепи пропорционально скорости изменения во времени магнитного потока, проходящего через эту цепь. Другими словами, чем быстрее изменяется магнитное поле, тем больше будет напряжение в цепи.Направление изменения магнитного поля определяет направление тока.

Увеличить напряжение можно за счет увеличения количества витков в цепи. Индуцированное напряжение в катушке с двумя петлями будет вдвое больше, чем с одной петлей, а с тремя петлями — втрое. Вот почему настоящие двигатели и генераторы обычно имеют большое количество катушек.

Теоретически моторы и генераторы одинаковы. Если вы включите двигатель, он будет вырабатывать электричество, а подача напряжения на генератор заставит его вращаться.Однако большинство реальных двигателей и генераторов оптимизированы только для одной функции.

Трансформаторы

Еще одним важным приложением закона индукции Фарадея является трансформатор, изобретенный Николой Тесла. В этом устройстве переменный ток, который меняет направление много раз в секунду, проходит через катушку, намотанную вокруг магнитного сердечника. Это создает изменяющееся магнитное поле в сердечнике, которое, в свою очередь, индуцирует ток во второй катушке, намотанной вокруг другой части того же магнитного сердечника.

Схема трансформатора (Изображение предоставлено photoiconix Shutterstock)

Отношение числа витков в катушках определяет соотношение напряжения между входным и выходным током. Например, если мы возьмем трансформатор со 100 витками на входе и 50 витками на выходе, и введем переменный ток 220 вольт, выход будет 110 вольт. Согласно Hyperphysics, трансформатор не может увеличивать мощность, которая является произведением напряжения и тока, поэтому, если напряжение повышается, ток пропорционально понижается, и наоборот.В нашем примере входное напряжение 220 В при 10 А или 2200 Вт даст на выходе 110 В при 20 А, опять же 2200 Вт. На практике трансформаторы никогда не бывают идеально эффективными, но, по данным Техасского университета, потери мощности хорошо спроектированного трансформатора обычно составляют всего несколько процентов.

Трансформаторы делают возможной электрическую сеть, от которой мы зависим для нашего промышленного и технологического общества. Линии передачи по пересеченной местности работают под напряжением в сотни тысяч вольт, чтобы передавать больше энергии в пределах допустимого для проводов тока.Это напряжение многократно понижается с помощью трансформаторов на распределительных подстанциях, пока оно не достигнет вашего дома, где оно, наконец, понижается до 220 и 110 вольт, которые могут запустить вашу электрическую плиту и компьютер.

Дополнительные ресурсы

Молекулярные выражения: электричество и магнетизм

Индуктивность

Индуктивность — это свойство электрической цепи, с помощью которого изменяющееся магнитное поле создает электродвижущую силу или напряжение в этой цепи или в соседней цепи.Индуктивность также определяется как свойство электрической цепи, противодействующей любому изменению тока. В 1831 году английский ученый Майкл Фарадей обнаружил, что изменяющееся магнитное поле в цепи индуцирует ток в соседней цепи. Примерно в то же время это открытие независимо сделал американский ученый Джозеф Генри. Генерация электродвижущей силы и тока изменяющимся магнитным полем называется электромагнитной индукцией. Электрогенераторы работают по принципу индуктивности.

Линии магнитного поля

Чтобы лучше понять индуктивность, полезно иметь представление о силовых линиях магнитного поля. Все магниты окружены магнитным полем, также называемым магнитным потоком. Магнитное поле можно представить как состоящее из силовых линий или силовых линий. Силы магнитного притяжения и отталкивания движутся по силовым линиям. Шаблон силовых линий магнитного поля можно наблюдать в нашем интерактивном руководстве по Java Magnetic Field Lines.

Интерактивное руководство по Java
Открытия Фарадея

Фарадей сделал свое открытие электромагнитной индукции в эксперименте с использованием двух катушек проволоки, намотанных вокруг противоположных сторон кольца из мягкого железа, аналогично экспериментальной установке на Рисунке 1 ниже.

Первая катушка справа прикреплена к батарее.Вторая катушка содержит компас, который действует как гальванометр для определения протекания тока. Когда переключатель замкнут, через первую катушку проходит ток, и железное кольцо намагничивается. Когда переключатель в первый раз замыкается, компас во второй катушке на мгновение отклоняется и немедленно возвращается в исходное положение. Отклонение компаса указывает на то, что возникла электродвижущая сила, заставившая на мгновение протекать ток во второй катушке. Фарадей также заметил, что при размыкании переключателя компас снова на мгновение отклоняется, но в противоположном направлении.

Фарадей знал, что катушка с проводом, по которой протекает электрический ток, создает магнитное поле. Поэтому он предположил, что изменяющееся магнитное поле индуцирует ток во второй катушке. Замыкание и размыкание переключателя вызывают изменение магнитного поля: расширение и сжатие соответственно. Вы можете провести эксперимент Фарадея в нашем интерактивном руководстве по Java Faraday’s Experiment.

Интерактивное руководство по Java

Фарадей продемонстрировал, что его гипотеза верна, перемещая простой стержневой магнит назад и вперед внутри катушки.Он заметил, что ток индуцировался в катушке только во время движения магнита. Он также заметил, что в катушке индуцировался ток, когда катушка перемещалась рядом с неподвижным постоянным магнитом. Он обнаружил, что именно относительное движение между проводником и магнитным полем производит ток. Чтобы генерировать ток, либо проводник может перемещаться через поле, либо поле может проходить мимо проводника. Для возникновения электромагнитной индукции необходимо изменение магнитного потока.Проведите этот эксперимент в нашем 2-м экспериментальном интерактивном учебном пособии по Java Faraday.

Интерактивное руководство по Java
Закон электромагнитной индукции Фарадея

Связь между изменением магнитного потока и индуцированной электродвижущей силой известна как закон электромагнитной индукции Фарадея:

Величина электромагнитной силы, индуцированной в цепи, пропорциональна скорости изменения магнитного потока, проходящего через цепь.

Математически закон Фарадея записывается как:

E = — (DF / Dt)

, где E — индуцированная электродвижущая сила в вольтах, DF — изменение магнитной силы в сетках, а Dt — количество времени в секундах, в течение которого происходит изменение магнитной силы.

Из приведенной выше формулы мы видим, что величина индуцированного напряжения определяется двумя факторами:

  1. Величина магнитного потока
    Чем больше количество силовых линий магнитного поля, пересекающих проводник, тем больше индуцированное напряжение.
  2. Скорость, с которой силовые линии магнитного поля пересекают проводник
    Чем быстрее силовые линии пересекают проводник или проводник пересекает силовые линии, тем больше индуцированное напряжение. Вы можете наблюдать это, изменяя скорость, с которой вы перемещаете магнит, в нашем 2-м экспериментальном интерактивном руководстве по Java Faraday.
Закон Ленца

Знак минус в законе Фарадея указывает направление или полярность индуцированного напряжения.В 1833 году русский физик Генрих Ленц открыл взаимосвязи между силами, напряжениями и токами электромагнитной индукции. Закон Ленца гласит:

Индуцированная электродвижущая сила генерирует ток, который индуцирует противодействующее магнитное поле, которое противодействует магнитному полю, генерирующему ток.

Например, когда внешнее магнитное поле приближается к кольцевому проводнику, ток, который создается в кольце, будет индуцировать собственное магнитное поле, противоположное приближающемуся внешнему магнитному полю.С другой стороны, когда внешнее магнитное поле удаляется от кольца, индуцированное магнитное поле в кольце меняет направление на противоположное и противодействует изменению направления внешнего магнитного поля. Вы можете увидеть в действии закон Ленца в нашем интерактивном учебном пособии по Java по закону Ленца .

Интерактивное руководство по Java
Собственная индуктивность

Мы знаем, что ток, протекающий по проводнику, создает магнитное поле вокруг проводника.Когда ток увеличивается, уменьшается или меняет направление, магнитное поле изменяется. Магнитное поле расширяется, сжимается или меняет направление в ответ на изменения тока. Изменяющееся магнитное поле индуцирует дополнительную электродвижущую силу или напряжение в проводнике. Возникновение этого дополнительного напряжения называется самоиндукцией, потому что оно индуцируется внутри самого проводника. Направление самоиндуцированной электродвижущей силы или напряжения противоположно направлению тока, который его генерировал.Это соответствует закону Ленца, который можно выразить следующим образом:

Индуцированная электродвижущая сила (напряжение) в любой цепи всегда имеет направление, противоположное току, который его породил.

Эффект самоиндукции в цепи заключается в противодействии любому изменению тока, протекающего в цепи. Например, когда напряжение подается на цепь, ток начинает течь во всех частях цепи. Этот ток индуцирует вокруг себя магнитное поле.По мере расширения поля в цепи генерируется противодействующее напряжение, иногда называемое обратным напряжением. Это обратное напряжение вызывает протекание тока в направлении, противоположном направлению основного тока. Индуктивность на этом этапе препятствует нарастанию тока. Когда индуцированное магнитное поле становится устойчивым, оно перестает индуцировать обратное напряжение.

Когда ток в цепи отключается, индуцированное магнитное поле начинает разрушаться. Когда поле схлопывается, оно генерирует напряжение в направлении, которое на мгновение продлевает основной ток.Когда индуцированное магнитное поле полностью схлопывается, индуцированное напряжение и ток прекращаются. Опять же, самоиндукция препятствует изменению тока. Он препятствует нарастанию тока и задерживает его пробой. Вы можете увидеть влияние самоиндукции на ток в нашем интерактивном руководстве по Java для Self-Inductance.

Интерактивное руководство по Java
Взаимная индуктивность

В эксперименте Фарадея с двумя катушками на кольце из проводящего железа он обнаружил, что изменяющееся магнитное поле в одной катушке индуцирует электродвижущую силу или напряжение во второй катушке.Это явление называется взаимной индуктивностью. Взаимная индуктивность возникает, когда изменяющееся магнитное поле в одной цепи индуцирует напряжение в соседней цепи.

В соответствии с законом Ленца направление индуцированной электродвижущей силы или напряжения противоположно направлению тока, который его генерировал. Снова глядя на эксперимент Фарадея ниже, мы обнаруживаем, что когда напряжение подается на катушку справа, в железном кольце индуцируется магнитное поле. По мере расширения поля во второй катушке слева генерируется напряжение.Это вторичное напряжение вызывает ток во второй катушке. Этот вторичный ток протекает в направлении, противоположном току в первой катушке. Когда индуцированное магнитное поле в кольце становится устойчивым, ток перестает течь во второй катушке.

Когда ток в первой катушке отключается, индуцированное магнитное поле в кольце начинает разрушаться. Когда поле схлопывается, во второй катушке снова возникает напряжение.Результирующий ток во второй катушке имеет направление, противоположное ранее наведенному току. Когда магнитное поле в кольце полностью схлопывается, индуцированное напряжение и ток во вторичной катушке прекращаются. Вы можете провести этот эксперимент в нашем интерактивном руководстве по Java Faraday’s Experiment.

Интерактивное руководство по Java
Катушки индуктивности

Катушки индуктивности — это электрические устройства, предназначенные для обеспечения индуктивности в цепи.Индуктор — это просто катушка с проволокой. Самоиндукция возникает в цепи, даже если проводники абсолютно прямые. Однако самоиндукция в прямом проводе очень мала. Индуктивность намного более значительна, когда проводники скручены в спираль, потому что магнитное поле каждого витка катушки пересекает соседние витки катушки. Для увеличения индуктивности индуктор может иметь железный сердечник. Помещение железа внутрь катушки значительно увеличивает силу ее магнитных полей.

Факторы, влияющие на индуктивность катушки

На индуктивность катушки влияют три фактора:

  1. Количество витков в катушке
    Чем больше количество витков в катушке, тем больше индуктивность.Это верно, потому что чем больше витков в катушке, тем больше количество взаимодействий магнитного поля.
  2. Площадь сечения катушки
    Чем больше площадь поперечного сечения катушки, тем больше индуктивность. Этот фактор тесно связан с количеством витков в катушке. Он включает в себя учет расстояния между витками. Поскольку магнитное поле становится слабее по мере его движения, витки, которые расположены близко друг к другу, обеспечивают взаимодействие там, где поля наиболее сильны.
  3. Проницаемость керна
    Проницаемость относится к способности материала проводить магнитные силовые линии. Железо имеет гораздо большую проницаемость, чем воздух. Следовательно, катушка с железным сердечником имеет большую индуктивность, чем катушка с сердечником, содержащим только воздух.
Расчет наведенного напряжения в катушке

Закон Фарадея можно использовать для определения полной наведенной электродвижущей силы или напряжения в катушке.Предполагая, что витки катушки плотно намотаны, полное наведенное напряжение катушки можно рассчитать по следующей формуле:

E = — N (DF / Dt)

, где E — индуцированная электродвижущая сила в вольтах, N — количество витков в катушке, DF — изменение магнитной силы в веберах, а Dt — время в секундах, в течение которого происходит изменение магнитной силы.

Измерение индуктивности

Символ индуктивности — заглавная буква L в честь Генриха Ленца. Единицей измерения индуктивности является генри, названный в честь Джозефа Генри, сокращенно ч . Один ген индуктивности существует, когда один вольт электродвижущей силы индуцируется при изменении тока со скоростью один ампер в секунду. Математически это записывается как:

L = E / (DI / Dt)

, где L — индуктивность в генри, E — индуцированная электродвижущая сила в вольтах, DI — изменение тока в амперах, а Dt — время в секундах, в течение которого происходит изменение тока. .

Катушки индуктивности в последовательной цепи

Последовательная цепь — это цепь, в которой ток имеет только один путь. В последовательной цепи весь ток проходит через каждый из компонентов в цепи. Схема на рисунке 2 имеет три последовательно включенных индуктора.

Если катушки индуктивности экранированы или расположены достаточно далеко друг от друга, чтобы предотвратить взаимную индуктивность, общая индуктивность цепи является накопительной. Полная индуктивность такой цепи — это сумма всех индукторов в цепи.Поэтому для расчета общей индуктивности последовательной цепи используйте следующую формулу:

L T = L 1 + L 2 + L 3 . . .

, где L T — общая индуктивность в цепи, а от L 1 до L 3 . . . — номинальные индуктивности отдельных катушек индуктивности в цепи.

Используя эту формулу, общую индуктивность последовательной цепи на Рисунке 2 можно рассчитать следующим образом:

L T = 50 + 40 + 20

L T = 110 м h

Катушки индуктивности в параллельных цепях

Параллельная цепь — это цепь, в которой компоненты расположены так, что путь для тока разделен.Схема на Рисунке 3 имеет три параллельно включенных индуктора.

Параллельное соединение катушек индуктивности всегда снижает общую индуктивность цепи. Если индукторы экранированы или расположены достаточно далеко друг от друга, чтобы предотвратить взаимную индуктивность, общую индуктивность цепи можно рассчитать по следующей формуле:

L T = 1 ÷ (1 / L 1 + 1 / L 2 + 1 / L 3 ….)

, где L T — полная индуктивность в цепи, а от L 1 до L 3 .. . — номинальные индуктивности отдельных катушек индуктивности в цепи.

Используя эту формулу, общую индуктивность указанной выше параллельной цепи можно рассчитать следующим образом:

L T = 1 ÷ (1/5 + 1/15 + 1/30)

L T = 1 ÷ (0,2 + 0,066 + 0,033)

L T = 1 ÷ 0,299

L T = 3.344 мч

Индуктивное реактивное сопротивление

Эффект самоиндукции в катушке заключается в противодействии любому изменению тока, протекающего в катушке. Например, когда на катушку подается напряжение, в катушке начинает течь ток. Этот ток индуцирует вокруг себя магнитное поле. По мере расширения поля в катушке генерируется противодействующее напряжение, иногда называемое обратным напряжением. Это обратное напряжение противодействует основному току. Это противодействие протеканию тока называется индуктивным реактивным сопротивлением и измеряется в омах.

Величина индуктивного сопротивления в цепи зависит от частоты и величины переменного тока, а также величины индуктивности. Индуктивное сопротивление цепи можно рассчитать по следующей формуле:

X L = 2pfL

, где X L — индуктивное реактивное сопротивление в омах, 2p — постоянная, полученная расчетным путем, которая обычно округляется до 6,28, f — частота приложенного переменного тока в герцах, а L — это постоянная. индуктивность цепи в генри.

Трансформаторы

Трансформаторы работают по принципу взаимной индуктивности. Трансформаторы используются для увеличения или уменьшения напряжений и токов переменного тока в цепях. Трансформатор обычно состоит из двух катушек провода, электрически изолированных друг от друга, намотанных на один и тот же сердечник. Одна катушка называется первичной катушкой; другой называется вторичной обмоткой. Первичная катушка является входной катушкой трансформатора, а вторичная катушка — выходной катушкой.Когда переменное напряжение подается на первичную катушку, оно вызывает изменяющееся магнитное поле в сердечнике. Взаимная индукция вызывает индуцирование напряжения во вторичной катушке.

Количество обмоток первичной и вторичной обмоток трансформатора определяет, как изменяется напряжение в цепи. Когда количество витков первичной катушки больше, чем количество вторичной катушки, индуцированное напряжение во вторичной катушке меньше, чем приложенное напряжение первичной катушки.Когда количество обмоток первичной обмотки меньше, чем количество обмоток вторичной обмотки, индуцированное напряжение во вторичной обмотке больше, чем приложенное напряжение первой обмотки. Если выходное напряжение трансформатора больше входного напряжения, он называется повышающим трансформатором. Если выходное напряжение трансформатора меньше входного напряжения, он называется понижающим трансформатором. Откройте для себя эффекты изменения входного напряжения и количества обмоток трансформатора в нашем интерактивном руководстве по Java для трансформаторов .

Интерактивное руководство по Java

Повышающий трансформатор увеличивает напряжение. Однако увеличение напряжения сопровождается уменьшением тока. Обратное верно для понижающего трансформатора. Понижающий трансформатор снижает напряжение, но увеличивает ток. Это свойство трансформаторов делает их очень полезными и выгодными для передачи электроэнергии на большие расстояния.Повышающие трансформаторы используются на электростанциях для выработки очень высоких напряжений. Уменьшается выходной ток, что значительно снижает потери мощности из-за сопротивления в линиях передачи. Когда мощность достигает потребителей, используются понижающие трансформаторы для снижения напряжения и увеличения тока до уровня, необходимого для потребительских приложений.

Применение индуктивности

Свойства индукторов делают их очень полезными в различных приложениях.Например, индукторы противодействуют любым изменениям тока. Следовательно, индукторы можно использовать для защиты цепей от скачков тока. Катушки индуктивности также используются для стабилизации постоянного тока и для контроля или устранения переменного тока. Катушки индуктивности, используемые для устранения переменного тока выше определенной частоты, называются дросселями.

Генераторы

Одним из наиболее распространенных способов использования электромагнитной индуктивности является генерация электрического тока. Чтобы узнать, как работает генератор, посетите наш учебник по генераторам и двигателям .

Радиоприемники Катушки индуктивности

могут использоваться в цепях с конденсаторами для генерации и изоляции высокочастотных токов. Например, катушки индуктивности используются с конденсаторами в схемах настройки радиоприемников. На рисунке 4 переменный конденсатор подключен к схеме антенна-трансформатор. Передаваемые радиоволны заставляют наведенный ток течь в антенне через первичную катушку индуктивности на землю.

Вторичный ток в обратном направлении индуцируется во вторичной катушке индуктивности.Этот ток течет к конденсатору. Скачок тока в конденсаторе вызывает противодействующую электродвижущую силу. Эту противодействующую электродвижущую силу называют емкостным реактивным сопротивлением. Индуцированный поток тока через катушку также вызывает противодействующую электродвижущую силу. Это называется индуктивным реактивным сопротивлением. Таким образом, мы имеем в цепи как емкостное, так и индуктивное реактивное сопротивление.

На более высоких частотах индуктивное реактивное сопротивление больше, а емкостное реактивное сопротивление меньше. На более низких частотах все наоборот.Переменный конденсатор используется для выравнивания индуктивного и емкостного сопротивлений. Состояние, при котором реактивные сопротивления уравновешены, называется резонансом. Конкретная частота, которая изолирована выровненными реактивными сопротивлениями, называется резонансной частотой.

Радиосхема настраивается путем регулирования емкости переменного конденсатора для выравнивания индуктивного и емкостного реактивного сопротивления цепи для желаемой резонансной частоты или, другими словами, для настройки на желаемую радиостанцию.Наш интерактивный учебник по Java для радиоприемника демонстрирует, как катушки индуктивности и переменный конденсатор используются для настройки на радиочастоты.

Интерактивное руководство по Java
Металлоискатели

Работа металлоискателя основана на принципе электромагнитной индукции. Металлоискатели содержат одну или несколько катушек индуктивности.Когда металл проходит через магнитное поле, создаваемое катушкой или катушками, это поле индуцирует электрические токи в металле. Эти токи называются вихревыми токами. Эти вихревые токи, в свою очередь, создают собственное магнитное поле, которое генерирует ток в детекторе, который питает сигнал, указывающий на присутствие металла. Наблюдайте за магнитными полями и вихревыми токами, генерируемыми металлоискателем, в нашем учебном пособии по металлоискателю для Java.

Интерактивное руководство по Java

НАЗАД НА ДОМ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА И МАГНИТИЗМА

Вопросы или комментарии? Отправить нам письмо.
© 1995-2021, автор — Майкл В. Дэвидсон и Государственный университет Флориды. Все права защищены. Никакие изображения, графика, программное обеспечение, сценарии или апплеты не могут быть воспроизведены или использованы каким-либо образом без разрешения правообладателей. Использование этого веб-сайта означает, что вы соглашаетесь со всеми юридическими положениями и условиями, изложенными владельцами.
Этот веб-сайт обслуживается нашим

Команда разработчиков графики и веб-программирования
в сотрудничестве с оптической микроскопией в Национальной лаборатории сильного магнитного поля
.
Последнее изменение: пятница, 13 ноября 2015 г., 14:18
Счетчик доступа с 29 марта 1999 г .: 262163

Электромагнитное излучение и поля

Электромагнитное излучение

Электромагнитное поле (ЭМП) генерируется при ускорении заряженных частиц, например электронов. Заряженные частицы в движении создают магнитные поля. Электрические и магнитные поля присутствуют вокруг любой электрической цепи, будь то электричество переменного (AC) или постоянного (DC) тока.Поскольку постоянный ток статичен, а переменный ток меняется по направлению, поля от источников постоянного и переменного тока существенно различаются. Статические поля, например, не вызывают токов в неподвижных объектах, в отличие от полей переменного тока. Статические магнитные поля не меняются во времени и, следовательно, не имеют частоты (0 герц [Гц]).

Наиболее известные магнитные эффекты возникают в ферромагнитных материалах, которые сильно притягиваются магнитными полями и могут быть намагничены, чтобы стать постоянными магнитами, которые сами создают магнитные поля.Лишь немногие вещества являются ферромагнитными; наиболее распространены железо, никель, кобальт и их сплавы.

Напряженность магнитного поля обычно измеряется в теслах (Тл или мТл) или гауссах (Гс). Бытовые магниты имеют силу порядка нескольких десятков миллитесла (1 мТл = 10 –3 Тл), а напряженность поля оборудования магнитно-резонансной томографии (МРТ) колеблется от 1,5 Тл до 10 Тл.

Статические электрические поля

Электрическое поле — это силовое поле, создаваемое притяжением и отталкиванием электрических зарядов, и оно измеряется в вольтах на метр (В / м).Статическое электрическое поле (также называемое электростатическим полем) создается зарядами, которые фиксируются в пространстве. Сила естественного статического электрического поля в атмосфере варьируется от примерно 100 В / м в хорошую погоду до нескольких тысяч В / м под грозовыми облаками. Другим источником статических электрических полей является разделение зарядов в результате трения или статических электрических токов от различных технологий. В домашних условиях зарядовые потенциалы в несколько киловольт могут накапливаться при ходьбе по непроводящему ковру, создавая локальные поля.Высоковольтные линии электропередачи постоянного тока могут создавать статические электрические поля до 20 кВ / м и более.

Источники с напряженностью поля более 5–7 кВ / м могут создавать широкий спектр опасностей, таких как реакции вздрагивания, связанные с искровыми разрядами, и контактные токи от незаземленных проводников внутри поля.

Статические магнитные поля

Магнитное поле — это силовое поле, создаваемое магнитом или зарядами, которые движутся в устойчивом потоке, как при постоянном токе (DC). Статические магнитные поля оказывают притягивающую силу на металлические предметы, содержащие, например, железо, никель или кобальт.Количество феррита (форма железа) или мартенситной стали (особый тип сплава нержавеющей стали) в объекте влияет на его магнитную способность: чем больше количество этих компонентов, тем выше ферромагнетизм. Все типы нержавеющей стали серии 400 являются магнитными. Аустенитная сталь немагнитна. Большая часть, но не вся нержавеющая сталь серии 300 является аустенитной, а не магнитной.

Источники статических магнитных полей, обнаруженные в лаборатории Беркли, включают оборудование ядерного магнитного резонанса (ЯМР), системы МРТ, системы спектроскопии, ионные насосы, квадруполи и секступоли, изгибные магниты, сверхпроводящие магниты и криостаты.

Статические магнитные поля также могут стирать данные, хранящиеся на магнитных носителях или на полосах кредитных или дебетовых карт и бейджей.

Изменяющиеся во времени магнитные поля

Изменяющиеся во времени магнитные поля — это магнитные поля, которые меняют свое направление с постоянной частотой. Они могут индуцировать электрический ток в проводнике, присутствующем в этом поле, а также в теле человека. Изменяющиеся во времени магнитные поля создаются устройствами, использующими переменный ток, такими как антенны сотовых телефонов, микроволновые печи и т. Д.Общее практическое правило заключается в том, что 1 Тл / сек может вызвать в теле около 1 микроампер на квадратный сантиметр (мкА / см 2 ).

Наведенные в теле токи могут вызвать местное нагревание и возможные ожоги, что является основным эффектом изменяющихся во времени полей. Причина — изменяющееся во времени поле высокой радиочастоты. Низкочастотные поля обычно не вносят большого вклада в этот эффект.

Источники электромагнитного излучения

Статические магнитные поля создаются магнитами или потоком постоянного тока.Они также могут быть произведены из многих природных источников. Естественные источники статических электрических полей включают атмосферу Земли во время шторма, заряд, возникающий при перемещении по ковру, и «статическое прилипание» одежды. Земля имеет электрическое поле около 130 В / м у поверхности из-за разделения зарядов между Землей и ионосферой. Он направлен вертикально. Земля и ионосфера вместе образуют сферический конденсатор, причем двумя проводящими поверхностями являются земля и верхняя атмосфера.Эта разница потенциалов поддерживается за счет молнии, которая несет на землю отрицательные заряды.

Земля сама по себе имеет естественное статическое магнитное поле, которое используется для навигации по компасу. Токи, протекающие глубоко в ядре Земли, создают естественные статические магнитные поля на поверхности Земли. Земля имеет статическую плотность магнитного потока в среднем 0,5 Гс с наименьшей напряженностью поля на экваторе и наибольшей на магнитных полюсах.

Общие источники статических магнитных полей включают постоянные магниты (которые используются в бытовой технике, игрушках и медицинских устройствах), приборы с батарейным питанием, сканеры МРТ, некоторые электрифицированные железнодорожные системы и определенные производственные процессы.

Сверхпроводящие магниты

Схематическое изображение магнитного поля, создаваемого индуцированным током.

Сверхпроводящий магнит — это электромагнит, сделанный из катушек сверхпроводящего провода. Во время работы их необходимо охлаждать до криогенных температур. В сверхпроводящем состоянии провод может проводить гораздо большие электрические токи, чем обычный провод, создавая сильные магнитные поля. Сверхпроводящие магниты используются в сканерах МРТ в больницах и в научном оборудовании, таком как спектрометры ядерного магнитного резонанса (ЯМР), масс-спектрометры и ускорители частиц.

Сверхпроводящие магниты, такие как оборудование для ЯМР и МРТ, представляют особую угрозу безопасности. Эти проблемы включают криогенную безопасность, сильные магнитные поля и возможность создания атмосферы с дефицитом кислорода. Самый высокий потенциал для наиболее серьезных из этих опасностей существует во время запуска магнита, наполнения криогенным веществом и работ по техническому обслуживанию. После того, как магниты работают и магнитные поля установлены, риски минимальны, если операторы, обслуживающий персонал, пациенты и / или посетители понимают пределы близости и процедуры, которым необходимо следовать при работе рядом с магнитом.

Ядерный магнитный резонанс

Пример системы ЯМР

В системе ЯМР используется статическое магнитное поле и радиочастотный импульс для выравнивания ядерных спинов в магнитном поле, чтобы максимизировать силу сигнала ЯМР. ЯМР-спектроскопия — это метод исследования, который использует магнитные свойства определенных атомных ядер и может предоставить подробную информацию о структуре, динамике, состоянии реакции и химическом окружении молекул.

ЯМР

— это сверхпроводящие магниты, которые обычно создают поля сердечника от 0.От 15 Тл до 20 Тл. Эти поля уменьшаются по интенсивности по мере удаления от ядра. Исследовательские ЯМР более мощные, чем медицинские устройства, но их области меньше по объему, сфокусированы и быстро исчезают, что упрощает обеспечение защиты персонала.

Советы по безопасности при использовании ЯМР

Магнитно-резонансная томография

Типичный медицинский сканер МРТ

Метод МРТ используется в радиологии для создания изображений органов тела для диагностической визуализации. МРТ-сканирование основано на науке о ЯМР с использованием сильных магнитных полей, радиоволн и градиентов поля для создания изображений органов в теле.Сканер МРТ состоит из большого мощного магнита, в котором лежит пациент. Радиоволновая антенна используется для передачи сигналов телу, а затем приема сигналов обратно. Эти возвращаемые сигналы преобразуются в изображения компьютером, подключенным к сканеру. Изображение практически любой части тела можно получить в любой плоскости.

Большинство клинических магнитов — это сверхпроводящие магниты, для которых требуется жидкий гелий. Напряженность магнитного поля МРТ колеблется от 0,15 Тл до 4 Тл. Сверхпроводящие магниты на 1.5 Тл и выше позволяют получать функциональные изображения головного мозга и МР-спектроскопию с улучшенным временным и пространственным разрешением. Такие магниты создают дополнительные проблемы из-за радиочастотного (RF) нагрева объекта.

Советы по безопасности при использовании МРТ

Ионные насосы

Пример распылительного ионного насоса

Ионный насос (также называемый распылительным ионным насосом) представляет собой тип вакуумного насоса, способный достигать давления до 10 −11 миллибар (мбар) в идеальных условиях. Ионный насос ионизирует газ внутри сосуда, к которому он прикреплен, и использует сильный электрический потенциал, обычно 3–7 кВ, который позволяет ионам ускоряться и захватываться твердым электродом и его остатками.

Три основных типа ионных насосов — это обычный или стандартный диодный насос, благородный диодный насос и триодный насос.

Базовая конструкция состоит из двух электродов (анодного и катодного) и магнита. Ионные насосы обычно используются в системах сверхвысокого вакуума (UHV), поскольку они могут достигать предельного давления менее 10 −11 мбар. В отличие от других распространенных сверхвысококачественных насосов, таких как турбомолекулярные и диффузионные насосы, ионные насосы не имеют движущихся частей и не используют масло.Поэтому они чистые, не требуют особого ухода и не производят вибрации. Эти преимущества делают ионные насосы хорошо подходящими для использования в сканирующей зондовой микроскопии и других высокоточных приборах. Кроме того, они не нуждаются в запекании и предназначены для минимизации паразитного магнитного поля.

Большинство ионных насосов, установленных на лучевых линиях ALS, имеют линию 5 G в пределах 20–30 см от поверхности.

Воздействие на здоровье

Физические и биологические эффекты в статических электрических и магнитных полях

Безусловно, наиболее важным эффектом является притяжение магнитных объектов в теле или на теле магнитным полем.Такие предметы, как кардиостимуляторы, хирургические зажимы и имплантаты, планшеты, инструменты, украшения, часы, швабры, ведра, ножницы и винты, были задокументированы как потенциальные опасности. Даже маломощные предметы могут стать опасными при движении на высокой скорости. Большая часть этого опыта была получена с помощью медицинских систем МРТ. Магнитные объекты будут пытаться выровняться с линиями магнитного поля. Если имплантированный объект попытается сделать это, крутящий момент может вызвать серьезную травму.

Современные кардиостимуляторы предназначены для тестирования или перепрограммирования с использованием небольшого магнитного поля, внешнего по отношению к телу.Статические поля могут замкнуть герконы и вызвать переход кардиостимулятора в режим тестирования, перепрограммирования, обхода и другие режимы работы с возможной травмой.

На основании данных использования МРТ статические поля могут оказывать небольшое обратимое влияние на данные электрокардиограммы. Причина — взаимодействие движущейся крови (проводящей среды) и поля в сердце. Эффект минимален (менее 2 Тл) и не считается проблемой.

Имеющаяся в настоящее время информация не указывает на какие-либо серьезные последствия для здоровья в результате острого воздействия статических магнитных полей до 8 Тл, но это может привести к потенциально неприятным эффектам, таким как головокружение во время движений головы или тела.Степень этих ощущений сильно зависит от индивидуальных факторов, таких как личная предрасположенность к укачиванию и скорость передвижения в поле.

Физические и биологические эффекты в изменяющихся во времени и индуцированных электрических полях

Эффекты изменяющихся во времени полей аналогичны эффектам статических полей. В таком поле могут возникать небольшие токи, обычно отсутствующие в теле. Обычно это не вызывает беспокойства, но они могут вызывать головокружение и сенсорные ощущения, такие как тошнота, металлический привкус во рту и слабые мерцающие зрительные ощущения (магнитофосфены).Пользователи кардиостимуляторов также могут подвергаться риску. Индуцированные токи могут привести к неправильному запуску кардиостимулятора или даже к предотвращению стимуляции, когда это действительно необходимо. Наведенные токи могут вызвать локальный нагрев, который является основным эффектом изменяющихся во времени полей.

Основным взаимодействием низкочастотных изменяющихся во времени электрических и магнитных полей с телом человека является индукция электрического поля и токов в соответствии с законом Фарадея: E = πfrB, где E — электрическое поле, f — частота, r — радиус петли, перпендикулярной магнитному полю, а B — плотность магнитного потока.Чем больше радиус r , тем больше электрическое поле и ток. У человека наибольший радиус по периметру тела.

Сообщалось о стимуляции нервной и мышечной ткани при 50–500 мТл (500–5000 G). Выше 500 мТл (5000 G) индуцированные токи могут нарушить сердечный ритм или вызвать фибрилляцию желудочков. Все эти эффекты вызваны индуцированными токами (IRPA, 1990).

Пределы и оценка электромагнитного воздействия

ПДК ACGIH относятся к плотностям потока статического магнитного поля, которым, как считается, почти все рабочие могут подвергаться многократно изо дня в день без неблагоприятных последствий для здоровья.

ПДК для обычного (8-часового) профессионального воздействия статических магнитных полей перечислены в таблице 1. Работники с имплантированными ферромагнитными или электронными медицинскими устройствами не должны подвергаться воздействию статических магнитных полей, превышающих 0,5 мТл (5 G).

Таблица 1. TLV для статических магнитных полей

ПДК Описание
5 г Максимально допустимое поле для имплантированных кардиостимуляторов.
10 г Могут быть повреждены часы, кредитные карты, магнитная лента, компьютерные диски.
30 г Небольшие предметы из черных металлов представляют опасность с кинетической энергией.
20000 г (2 т) Предел потолка для всего тела (воздействие выше этого предела не допускается).
80 000 г (8 т) Целостность (специальная подготовка работников и контролируемая рабочая среда).
200,000 G (20T) Предел потолка конечности (воздействие выше этого предела не допускается).

Примечание. Время экспонирования, взвешенное по времени (TWA), обычно вызывает беспокойство только при очень сильном воздействии поля на все тело.

1 гаусс (Г) = 0,1 миллитесла (мТл)

Полный список TLV можно загрузить по указанной ниже ссылке: Полный список пороговых значений.

Пороговые значения (ПДК)

Оценка воздействия

Для оценки опасности и оценки воздействия устройств, генерирующих ЭМП, необходимо выполнить измерение излучения ЭМП и сравнить его с соответствующими ПДК.Оценка должна выполняться во время установки устройства, генерирующего ЭДС, после изменения рабочих параметров, которое увеличивает опасность, или после ремонта, который может изменить рабочие параметры. Уже установленные, но не прошедшие оценку устройства следует оценивать при первой возможности. Если результаты первоначальных оценок значительно ниже ПДК, дальнейший мониторинг не требуется, если только деятельность не изменена так, чтобы ожидать увеличения воздействия. Если установлено, что результаты превышают уровни TLV или очень близки к TLV, периодический мониторинг следует проводить с частотой, достаточной для обеспечения адекватности мер контроля (обычно ежегодно).

Общие правила техники безопасности

Снаряды

Самая непосредственная опасность, связанная с магнитной средой, — это притяжение между магнитом и ферромагнитными объектами. Ферромагнитные металлические предметы могут стать летательными снарядами в сильном магнитном поле. Инструменты и баллоны со сжатым газом могут стать неконтролируемыми и лететь, как ракеты, к магнитам в областях, где существуют сильные статические поля и сильные градиенты поля (изменения напряженности поля на расстоянии).Механические опасности зависят от напряженности поля и градиента поля, а также от того, насколько быстро сила магнитного поля изменяется с расстоянием. Очевидная мера безопасности — не допустить попадания магнитных материалов в рабочую зону.

Никогда не помещайте какие-либо части тела между магнитом и незакрепленными металлическими предметами. Если большой объект притягивается к магниту и ударяется о магнит, выйдите из комнаты, так как это может привести к гашению магнита. Сообщите своему руководителю. Если произошла травма, немедленно позвоните в службу 911.

Электронные и металлические имплантаты

Лица, носящие металлические имплантаты, такие как костные или суставные протезы, хирургические зажимы, гвозди или винты в сломанных костях, пирсинг или даже зубные пломбы, могут испытывать болезненные ощущения при воздействии сильных магнитных полей. Лица, оснащенные кардиостимуляторами, подвергаются особому риску, поскольку статические или импульсные магнитные поля могут влиять на рабочий режим их имплантированных устройств.

Проблемы с криогенным газом

Закалка

Квенч — это (обычно неожиданная) потеря сверхпроводимости в ЯМР-магните, приводящая к быстрому нагреву за счет увеличения сопротивления сильному току.Сверхпроводящий магнит содержит жидкий гелий и жидкий азот. Если магнит погаснет, значительный объем жидкого гелия превратится в газ. При гашении магнита сверхпроводящий магнит теряет способность к сверхпроводимости, и накопленная энергия выделяется в виде тепла, которое выкипает из жидкого гелия. Газообразный гелий выходит из магнитного дьюара и заполняет комнату сверху вниз (гелий легче воздуха) и образует облако у потолка. Тушение очевидно: над магнитом образуется большое облако паров гелия, сопровождаемое громким свистящим звуком, который может создать атмосферу с дефицитом кислорода.Если происходит тушение, немедленно покиньте комнату, включите пожарную сигнализацию, чтобы эвакуироваться из здания, и позвоните по номеру 911.

Закалка может сильно повредить магнит, и предметы из железа попадут в отверстие магнита.

Биоэффекты

Сверхпроводящие магниты, использующие жидкий гелий и / или азот, представляют дополнительную проблему безопасности при работе с криогенными жидкостями. Прямой контакт с кожей или тканями глаза может вызвать серьезные повреждения в результате обморожения (повреждение тканей от замерзания).При сильном обморожении поврежденные ткани могут нуждаться в ампутации. Вдыхание концентрированных криогенных газов может вызвать потерю сознания и (в конечном итоге) смерть из-за кислородного голодания (удушье).

Вентиляция помещения

В целом, пять полных замен воздуха в помещении в час считается достаточным для борьбы с небольшими разливами или выбросами криогенов. В случае серьезного выброса персонал должен немедленно покинуть помещение и держать двери открытыми. Если существует риск катастрофического выброса, следует рассмотреть возможность использования вспомогательной вентиляции для предотвращения образования атмосферы с дефицитом кислорода.

Дьюарс

Емкости для перевозки криогенов должны быть металлическими. Стекло Дьюара может легко взорваться, что приведет к серьезным травмам. Все устройства Дьюара должны иметь соответствующие вентиляционные отверстия. Невентилируемые емкости могут разорваться, когда жидкость нагреется и расширится. Необходимо постоянно следить за всеми перемещениями криогенов, чтобы предотвратить проливание или замерзание клапанов.

Средства индивидуальной защиты

При работе с криогенами используйте изолирующие перчатки, маску для лица или другие средства защиты глаз / лица от брызг, обувь с закрытым носком и лабораторные халаты.

Вопросы электробезопасности

Блоки питания

Хотя источники питания, используемые для магнитов ЯМР, работают при относительно низких напряжениях (приблизительно 10 В), используемый ток очень высок (приблизительно 100 А). При контакте с тканями человека высокая сила тока чрезвычайно опасна.

Кабели, провода и соединители

Все кабели, провода и разъемы должны быть должным образом изолированы, чтобы предотвратить контакт с рабочим током. Их следует регулярно проверять, чтобы гарантировать целостность изоляции.Во избежание возникновения дуги никогда не разрывайте соединения, не отключив предварительно питание обрабатываемой цепи.

Блокировка, метка

При работе с оборудованием, которое приводится в действие опасным источником энергии, необходимо соблюдение процедур блокировки и маркировки.

Прочие вопросы безопасности

Противопожарная защита

Держите поблизости огнетушитель класса C на случай возгорания электрического тока. Перед попыткой тушения электрического пожара необходимо отключить питание.Весь персонал должен быть обучен процедурам противопожарной защиты и эвакуации.

Тревоги землетрясения

Магниты в сборе могут весить несколько тонн и должны быть закреплены, чтобы они не сдвинулись или опрокинулись во время землетрясения; при их размещении следует учитывать конструкционные стальные опоры. Источники питания также должны быть защищены от движения во время землетрясения.

Акустический шум

Переключение градиентов поля вызывает изменение силы Лоренца, испытываемой градиентными катушками, вызывая незначительные расширения и сжатия катушки.Поскольку переключение обычно происходит в слышимом диапазоне частот, возникающая в результате вибрация вызывает громкие шумы (щелчки, стук или звуковой сигнал). Это наиболее заметно в машинах с сильным полем и методах быстрой визуализации, в которых уровни звукового давления могут достигать 120 дБ (A) (децибелы, взвешенные по шкале А), что эквивалентно реактивному двигателю при взлете; Следовательно, во время обследования для всех, кто находится в помещении со сканером МРТ, необходима соответствующая защита органов слуха.

Радиочастота

RF сам по себе не вызывает слышимых шумов (по крайней мере, для людей), поскольку современные системы используют частоты 8.5 МГц (система 0,2 Т) или выше. ВЧ-мощность, которая может быть произведена, соответствует мощности многих небольших радиостанций (15–20 кВт). В результате присутствуют тепловые эффекты со стороны РФ. В большинстве импульсных последовательностей нагрев незначителен и не превышает рекомендаций Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США.

При использовании ВЧ-катушек существует возможность поражения электрическим током, поэтому необходимо надлежащее заземление и изоляция катушек. Любое повреждение катушек или их кабелей требует незамедлительного внимания. Прикрепление кабеля к катушке может привести к ожогам любого, кто к ним прикоснется.Лучше избегать любого контакта с кабелями РЧ катушки.

Средства контроля воздействия

Два подхода к контролю воздействия — это использование технических средств контроля (например, экранирование) и административных средств контроля (например, средств индивидуальной защиты).

Инженерный контроль

Экранирование

Магнитные поля контролируются с помощью проницаемого сплава, который ограничивает линии магнитного потока и отклоняет их. Магнитное экранирование может быть выполнено с использованием сплавов с высоким содержанием никеля, называемых мю-металлом или мягким железом.Превращение мю-металла в сложный экран стоит дорого, и мю-металл легко повреждается. Такое экранирование лучше всего применять рядом с источником поля, когда это возможно. Другой подход заключается в использовании непроницаемых металлов, таких как медь или алюминий, для создания вихревых токов, которые нейтрализуют исходное магнитное поле.

Защита от тушения

Чтобы избежать ситуации гашения, используйте систему датчиков уровня криогенного вещества, чтобы обнаружить гашение и инициировать снижение тока и накопленной магнитной энергии, чтобы предотвратить выгорание проводника.Всегда заправляйте или обесточивайте магнит, если на датчиках указывается низкий уровень криогенного вещества.

Примеры технических средств контроля сверхпроводящих магнитов:

  • Установка вентиляционного отверстия для продувки жидким гелием, чтобы позволить избытку газообразного гелия выйти через выхлопное отверстие, выходящее через крышу
  • Внутренние датчики для индикации низкого уровня жидкого гелия
  • Визуальная и звуковая сигнализация
  • Надежный контроль доступа, такой как запертые двери и ограниченный доступ только для уполномоченного персонала
Заземление

Металлические конструкции, вызывающие удары при контакте, должны быть электрически заземлены или изолированы.

Блокировки

Области, где воздействие полей 60 Гц на все тело превышает 25 кВ / м или 1 мТл (10 G), должны быть ограничены положительными средствами, такими как запертые корпуса, блокировки или предохранительные цепи.

Административный контроль

Обозначение площади
Пример линии 5 гаусс, обозначенной цепочкой

В рамках процесса проектирования статическое магнитное поле в помещении должно быть определено путем измерения или расчетов, если существует опасность для кардиостимулятора (> 5 G) и опасность кинетической энергии (> 30 G).Также необходимо определить места, где может произойти чрезмерное облучение всего тела (> 600 G).

Инструменты и намагничиваемые предметы нельзя хранить в местах, где присутствуют повышенные статические магнитные поля.

Если установлено, что требуется экранирование, следует нанять опытную консалтинговую фирму для разработки экранирования магнитного поля.

Должны быть приняты меры для защиты и ограничения доступа пользователей кардиостимуляторов к местам, где магнитные поля всего тела превышают 5 G.Линия 5 G представляет собой разграничение между неконтролируемыми и контролируемыми зонами и должна быть четко обозначена. Для полей с экспозицией менее 5 G никаких настроек или проводки не требуется.

В дополнение к предупреждающим знакам, размещенным на дверных проемах, требуется другой способ обозначения линии 5G вокруг магнита. Например, можно использовать нарисованную линию или ленту, размещенную на полу вокруг магнита, где поле составляет 5 G. Другой пример — цепь, веревка или забор, обозначающий линию 5G вокруг магнита.

Какой бы метод ни использовался, выход из зоны в случае возникновения чрезвычайной ситуации не должен блокироваться или предотвращаться.

Предупреждающие знаки

Предупреждающий знак должен быть вывешен у входа в лаборатории или помещения, где магнитные поля превышают любые из указанных выше пределов. Зоны, где существуют потенциальные механические опасности, должны быть четко обозначены. Инструменты, баллоны со сжатым газом и другие изделия из магнитопроницаемого материала не должны находиться в таких местах.

Предупреждающие знаки должны быть вывешены в местах, где напряженность магнитного поля может превышать 0,5 мТл (5 Гс), и / или в местах, где электрические поля 60 Гц превышают 1 кВ / м, что подтверждается измерениями или расчетами, предупреждая людей с кардиостимуляторами или другими медицинскими приборами. электронные имплантаты, чтобы держаться подальше.

Предупреждающие знаки должны быть вывешены там, где электрические поля превышают 5 кВ / м, предупреждая людей о возможности возникновения раздражающих искр.

Люди с кардиостимуляторами не должны находиться в местах, где магнитные поля 60 Гц превышают 0.1 мТл (1 Гс), что подтверждается измерением или расчетом.

Области, где воздействие полей 60 Гц на все тело превышает 25 кВ / м или 1 мТл (10 G), должны быть ограничены положительными средствами, такими как запертые корпуса, блокировки или предохранительные цепи.

Зоны, где магнитные поля превышают 3 мТл, должны быть обследованы, чтобы определить, где существуют потенциальные механические опасности. Люди с металлическими медицинскими имплантатами не должны находиться в местах, где напряженность поля превышает 3 мТл (30 G).

Руководство по использованию предупреждающих знаков

Примеры знаков, предупреждающих об опасности, показаны ниже.


Оборудование, которое может создавать электрические поля с частотой 60 Гц выше 2,5 кВ / м или магнитные поля выше 0,1 мТл (1 G), должно иметь маркировку или предупреждающий знак.

Примеры этикеток показаны ниже.

Световой сигнализатор

Некоторые электромагниты обозначаются мигающей красной сигнальной лампой, которая загорается, когда на магнит подается напряжение. Магниты, создающие сильное статическое магнитное поле, обычно обесточиваются, когда может произойти облучение персонала (т.например, во время длительных простоев, связанных с работой акселератора).

Личная защитная одежда

При работе с криогенами надевайте изолирующие перчатки и маску для лица или другие средства защиты глаз / лица от брызг, обувь с закрытыми носками и лабораторные халаты.

Изоляционная одежда и оборудование должны использоваться в областях, где электрические поля 60 Гц превышают 5 кВ / м, как показывают измерения или вычисления. Изолирующие перчатки или, предпочтительно, специальные средства управления (например, кожух или экранирование источника поля) должны использоваться, чтобы избежать контакта с объектами, которые могут подвергнуть персонал воздействию искр, связанных с напряженностью поля более или равной 5 кВ / м.

Список литературы
  1. 10 CFR 851 Безопасность и здоровье работников — Министерство энергетики, § 851.23 Стандарты безопасности и здоровья.
  2. Американская конференция государственных специалистов по промышленной гигиене (ACGIH) TLV и BEI — 2016 , включенные посредством ссылки 10 CFR 851 Безопасность и здоровье рабочих — Министерство энергетики, §851.27.
  3. ACGIH TLV и BEI — 2012.
  4. Руководство ICNIRP по пределам воздействия статических магнитных полей .Физика здоровья, Vol. 96 (4): 504-514. 2009.
  5. Руководство ICNIRP по ограничению воздействия электрических полей, вызванных движением человеческого тела в статическом магнитном поле и изменяющимися во времени магнитными полями ниже 1 Гц. Health Physics, Vol. 106 (3): 418-425. 2014.
  6. Plogg, H., and Miller, G. Основы промышленной гигиены . Четвертое издание, глава 11: Неионизирующее излучение. 2001.
  7. Временное руководство IPRA по предельным значениям воздействия электрических и магнитных полей 50/60 Гц .Физика здоровья, Vol. 58 (1): 113-122. 1990.

Магнитные поля и новый взгляд на Максвелла

Энергия, запасенная в магнитном поле

В индукторе энергия хранится в магнитном поле.

Цели обучения

Опишите поведение индуктора при изменении тока и выразите энергию, запасенную в магнитном поле, в форме уравнения

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Формула для энергии, запасенной в магнитном поле, E = 1/2 LI 2 .2} {2 \ mu} [/ латекс].
Ключевые термины
  • катушка индуктивности : Устройство или компонент схемы, который демонстрирует значительную самоиндукцию; устройство, которое хранит энергию в магнитном поле.

Когда по проводнику проходит ток, создается магнитное поле, окружающее проводник. Результирующий магнитный поток пропорционален току. Если ток изменяется, изменение магнитного потока пропорционально скорости изменения тока во времени с помощью коэффициента, называемого индуктивностью (L).Поскольку природа не терпит быстрых изменений, создаваемое в проводнике напряжение (электродвижущая сила , , , , , ЭДС ) противодействует изменению тока, которое также пропорционально изменению магнитного потока. Таким образом, индукторы противодействуют изменению тока, создавая напряжение, которое, в свою очередь, создает ток, противодействующий изменению магнитного потока; напряжение пропорционально изменению тока.

Энергия, накопленная в индукторе

Из-за энергосбережения энергия, необходимая для управления исходным током, должна иметь выход.2 [/ латекс]

(уравнение 1), где L — индуктивность в единицах Генри, а I — ток в единицах Ампера.

Энергия, запасенная в магнитном поле

Рассмотрим Рис. 1, пример соленоида (ℓ: длина, N: количество витков, I: ток, A: площадь поперечного сечения), который работает как индуктор. Из уравнения. 1, энергия, запасенная в магнитном поле, создаваемом соленоидом, составляет:

Магнитное поле, создаваемое соленоидом : Магнитное поле, создаваемое соленоидом (вид в разрезе), описанное с использованием силовых линий.2} {2 \ mu} [/ латекс].

Предсказания Максвелла и подтверждение Герца

Предсказание Максвелла об электромагнитной силе было подтверждено Герцем, который генерировал и обнаруживал электромагнитные волны.

Цели обучения

Объясните, как Герц

подтвердил предсказание Максвелла об электромагнитной силе.

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Максвелл предсказал, что электрические и магнитные силы связаны.
  • Уравнения Максвелла предсказывают, что независимо от длины и частоты волны все световые волны имеют одинаковую структуру.
  • Герц смог экспериментально подтвердить уравнение Максвелла, генерируя и обнаруживая определенные типы электромагнитных волн в лаборатории.
Ключевые термины
  • электрическое поле : область пространства вокруг заряженной частицы или между двумя напряжениями; он воздействует на заряженные объекты поблизости.
  • магнитное поле : Состояние в пространстве вокруг магнита или электрического тока, в котором существует обнаруживаемая магнитная сила и где присутствуют два магнитных полюса.
  • электродвижущая сила : (ЭДС) — напряжение, генерируемое батареей или магнитной силой в соответствии с законом Фарадея. Она измеряется в вольтах, а не в ньютонах, и поэтому на самом деле не является силой.

Предсказания Максвелла и подтверждение Герца

Объединив работы физиков, включая Эрстеда, Кулона, Гаусса и Фарадея, и добавив свои собственные идеи, Джеймс Клерк Максвелл разработал полную и всеобъемлющую теорию, показывающую, что электрические и магнитные силы не разделены, а представляют собой разные формы одного и того же: электромагнитная сила.В 1865 году он сделал это в форме четырех уравнений, которые утверждали следующее:

  1. Линии электрического поля берут начало на положительных зарядах и оканчиваются на отрицательных зарядах, а электрическое поле определяется как сила, приходящаяся на единицу заряда испытательного заряда. Сила силы связана с электрической постоянной ε 0 , также известной как диэлектрическая проницаемость свободного пространства.
  2. Линии магнитного поля непрерывны, не имеют ни начала, ни конца. О существовании магнитных монополей не известно.
  3. Изменяющееся магнитное поле индуцирует электродвижущую силу (ЭДС) и, следовательно, электрическое поле. Направление ЭДС противодействует изменению.
  4. Магнитные поля создаются движущимися зарядами или изменяющимися электрическими полями.

Уравнения Максвелла предсказывают, что независимо от длины и частоты волны все световые волны имеют одинаковую структуру. Это означает, что уравнения Максвелла предсказывали существование радио- и рентгеновских волн, хотя на самом деле они еще не были обнаружены.

Доказательство уравнений Максвелла

Известные уравнения Максвелла, простые и гениальные по своей проницательности, по-прежнему трудно доказать. Поскольку изменяющиеся электрические поля создают относительно слабые магнитные поля, их было нелегко обнаружить во время гипотезы Максвелла.

Только в 1888 году предсказание Максвелла прошло серьезную проверку, когда Генрих Герц создал и обнаружил определенные типы электромагнитных волн в лаборатории. Он провел серию экспериментов, которые не только подтвердили существование электромагнитных волн, но и подтвердили, что они движутся со скоростью света.

Герц использовал цепь переменного тока RLC (резистор-индуктор-конденсатор), которая резонирует на известной частоте, и подключила ее к проволочной петле, как показано на рисунке. Высокое напряжение, индуцированное через зазор в петле, вызывало искры, которые были видимым свидетельством наличия тока. в цепи, и это помогло генерировать электромагнитные волны. Через всю лабораторию Герц подключил еще один контур к другому контуру RLC, который можно было настроить (как циферблат на радио) на ту же резонансную частоту, что и первый, и, таким образом, можно было заставить принимать электромагнитные волны.В этой петле также имелся зазор, в котором возникали искры, что давало твердое свидетельство приема электромагнитных волн.

Аппарат, используемый Герцем : Аппарат, использованный Герцем в 1887 году для генерации и обнаружения электромагнитных волн. Схема RLC, подключенная к первому контуру, вызвала искры через разрыв в проводном контуре и генерировала электромагнитные волны. Искры в щели во второй петле, расположенной напротив лаборатории, свидетельствовали о том, что волны были приняты.

EM Wave : Распространение электромагнитной волны, предсказанное Максвеллом и подтвержденное Герцем.

Воздействие и физические взаимодействия — возможные последствия для здоровья от воздействия электрических и магнитных полей в жилых помещениях

Определение терминов

Электрические и магнитные поля создаются электрическими зарядами и их движением. Статическое электрическое поле создается электрическими зарядами, величина и положение которых не меняются во времени.Статическое магнитное поле может создаваться либо постоянным магнитом, либо постоянным потоком электрического тока (движущиеся электрические заряды). Магнитное поле, создаваемое последним способом, часто называют магнитным полем постоянного тока. Магнитные поля переменного тока создаются переменными во времени электрическими токами. Электрические и магнитные поля являются векторными величинами и, таким образом, характеризуются своей величиной и направлением в каждой точке пространства и времени. Поведение электрических и магнитных полей и их взаимосвязь всесторонне описываются уравнениями Максвелла (см. Peck 1953; Kraus 1992; Iskander 1993; или другие общие тексты по электромагнитной теории).Одна из основных особенностей поведения электрического и магнитного полей состоит в том, что изменяющееся во времени электрическое поле создает магнитное поле и наоборот; поэтому часто делается ссылка на электромагнитное поле. Такое поведение поля и одновременное существование обеих компонент поля происходит на всех частотах. Однако для медленно меняющихся полей (низких частот) может преобладать либо электрическое, либо магнитное поле (то есть намного более сильное с точки зрения связанной с ним энергии). Частоты, связанные с линиями электропередач и их общими гармониками, достаточно низки для того, чтобы электрические поля и магнитные поля, создаваемые ими, можно было рассматривать отдельно (т.е., несвязанный). Физическая причина этого упрощения заключается в том, что электрическое поле, индуцированное магнитным полем (или наоборот), пропорционально скорости изменения во времени. Количественно можно рассматривать поля отдельно, если магнитное поле, создаваемое исходным магнитным полем за счет индукции электрического поля, составляет лишь очень небольшую часть исходного поля. Кроме того, общие источники полей низких частот обычно отделены от облученного человека, экспериментального животного или клеток расстояниями, намного меньшими, чем длина волны поля воздействия.(Электрическое и магнитное поля не связаны внутренним импедансом плоской волны, потому что такие волны не образуются.) На частотах выше нескольких килогерц необходимо более внимательно рассмотреть связь электрического и магнитного полей.

Электрическое поле описывается его напряженностью (обозначается) (полоса над символом поля указывает вектор) и его вектором смещения (), также называемым плотностью электрического потока. Два вектора взаимосвязаны электрическими свойствами среды:

, где & isin; — диэлектрическая проницаемость среды; за свободное место î = î 0 .Для биологических материалов диэлектрическая проницаемость — это комплексное число, состоящее из диэлектрической проницаемости и коэффициента потерь (связанных с проводимостью). Электрическое поле измеряется в вольтах на метр (В / м), а плотность электрического потока — в кулонах на квадратный метр (Кл / м 2 ). 3

Магнитное поле описывается его напряженностью () и плотностью магнитного потока (). Два вектора связаны магнитными свойствами среды:

, где µ — проницаемость среды; для свободного пространства µ = µ 0 .Для большинства биологических материалов (за исключением магнетита, обнаруженного в небольших количествах в некоторых тканях) µ = µ 0 . Наиболее часто используемым дескриптором магнитного поля является его плотность потока, представленная либо в единицах тесла (Тл), либо в единицах, одобренных на международном уровне (СИ), либо в более старых и более распространенных единицах гаусс (Гс), (1 Гс = 10 — 4 T; также 1 T = 1 Вт / м 2 , где Wb = weber). Сила магнитного поля измеряется в амперах на метр (А / м).

Одной из характеристик переменного электрического или магнитного поля является его форма волны (т.е.е. изменение амплитуды и фазы во времени). Синусоидальные (гармонические) поля 50 или 60 Гц являются наиболее часто встречающимися переменными полями в окружающей среде, и они часто используются в биологических экспериментах. Они также могут содержать небольшие искажения, приводящие к гармоникам (кратным основной частоте, например, 120 Гц, 180 Гц и т. Д. Для основной частоты 60 Гц). Другой распространенной формой волны, используемой в лаборатории, является «прямоугольный» импульс или временная последовательность импульсов, биполярных или униполярных.Целый диапазон частот связан с импульсом или серией импульсов. Точный частотный спектр зависит от характеристик импульса, таких как его длительность, частота повторения (для нескольких импульсов), время нарастания (переднего фронта) и время спада (заднего фронта). Технически эти частоты определяются анализом Фурье. Краткое обсуждение спектров простых сигналов дается в отчете ORAU (1992). Формы сигналов, связанные с некоторыми явлениями, такими как молния, включение и выключение электрических устройств, часто называют переходными процессами, и они очень сложны и уникальны для данного события.Их частотные спектры широки и простираются до мегагерцового диапазона.

Параметром, характеризующим поле и связанным с его частотой (для гармонических полей), является длина волны. Длина волны в свободном пространстве связана с частотой в свободном пространстве как

, где c — скорость света ( c = 3 × 10 8 м / сек). В среде, такой как биологические ткани, длина волны короче, чем в свободном пространстве, и равна

, где & isin; диэлектрическая проницаемость рассматриваемой ткани; Следует отметить, что разные ткани имеют разную диэлектрическую проницаемость.

Диапазон частот, в который попадают основные частоты линии электропередачи 50 или 60 Гц, называется чрезвычайно низкими частотами (ELF). Обычно считается, что ELF простирается от 3 Гц до 3 кГц.

Электрическое поле на частотах линий электропередачи, создаваемое определенными напряжениями на высоковольтных линиях передачи, может быть точно оценено аналитическими или численными методами. Точно так же для распределительных линий и любой другой известной конфигурации проводов и проводников другой формы можно оценить силу и направление электрического поля в любой точке окружающего пространства.Простые случаи, такие как пластина, одиночный прямой провод (в свободном пространстве), провод над землей, два провода (бесконечно длинный), трехфазный провод и аналогичные конфигурации, могут быть решены аналитически. Несколько примеров приведены в отчете ORAU (1992). Однако важно понимать, что электрическое поле значительно нарушается любым проводящим или диэлектрическим объектом, помещенным в него. Тонкие объекты, расположенные перпендикулярно направлению поля, вносят лишь минимальное возмущение поля.Эта особенность электрических полей имеет большое значение для правильных измерений полей. Люди и животные сильно влияют на поле (Kaune and Gillis 1981). Следовательно, поле измерения в присутствии человека значительно отличается от поля воздействия без его присутствия.

Подобно электрическому полю, магнитное поле может быть точно оценено (аналитически или численно) для различных конфигураций проводников с током. Примеры простых расчетов приведены в отчете ORAU (1992).Для любой произвольной, но известной конфигурации проводников магнитное поле можно рассчитать численно. В случае двигателей и других устройств сложной геометрии, особенно содержащих магнитные материалы, теоретическая оценка поля экспонирования нецелесообразна. В отличие от электрического поля, на магнитное поле СНЧ не влияет присутствие людей и животных. Следовательно, измеренное поле представляет собой фактическое поле экспонирования.

Методы оценки воздействия

Общие проблемы

Электрические и магнитные поля с частотой 60 (или 50) Гц можно рассчитать или измерить практически в любой среде.Могут быть определены даже их более сложные характеристики (например, гармоники, временные и пространственные изменения). Точно так же можно измерить переходные процессы, хотя и только с помощью сложных приборов. Определение воздействия на человека и, в частности, определение воздействия на человека в связи с эпидемиологическими исследованиями намного сложнее. Среднестатистический взрослый или ребенок сталкивается с различными средами электрических и магнитных полей в течение дня, не говоря уже о месяце или году.

Первоначальный интерес к возможному влиянию полей линий электропередач на здоровье был вызван эпидемиологическим отчетом (Wertheimer and Leeper 1979), в котором предполагалось, что сила магнитных полей частотой 60 Гц, классифицированная или оцененная с помощью проводного кода, коррелирует с увеличение заболеваемости раком у детей, включая лейкоз.В последующих исследованиях использовались коды проводов или другие предполагаемые индикаторы средней среднеквадратичной (среднеквадратичной) напряженности магнитного поля частотой 60 Гц.

Различные характеристики электрических и магнитных полей, кроме их среднеквадратичной величины при 60 Гц, могут быть ответственны за их взаимодействие с биологическими системами (например, гармоники, переходные процессы, временные и пространственные изменения). Знание того, какая характеристика (если таковая имеется) полей воздействия важна для взаимодействия, позволит надежно оценить воздействие в эпидемиологических исследованиях.Отсутствие знаний о соответствующих характеристиках поля делает комплексную оценку воздействия на человека практически невозможной. Тем не менее, большинство исследований проводилось с молчаливым предположением, что магнитное поле 60 Гц (среднеквадратичное среднее и накопленное с течением времени) напрямую связано с интересующей экспозицией.

Воздействие можно оценить путем прямых измерений или косвенного моделирования и оценки электрических и магнитных полей, присутствующих в помещениях, занятых людьми или экспериментальными животными.В большинстве случаев такие оценки производились только при 60 (или 50) Гц.

Методы измерения и приборы

Без каких-либо четких указаний относительно того, какой аспект поля является биологически значимым, наиболее распространенные сегодня устройства для измерения поля были разработаны для определения средней среднеквадратичной напряженности поля (плотности магнитного потока или напряженности электрического поля) за определенное время. Минимальное время усреднения обычно составляет около 1 секунды, а некоторые инструменты могут выполнять усреднение в течение нескольких часов.Более сложное оборудование может детально измерять изменение во времени или частотный спектр поля, но анализ или выбор простой метрики из огромного количества собранной информации затруднен.

В качестве компромисса некоторые из наиболее популярных сегодня устройств для измерения поля могут записывать множество отсчетов магнитного поля в течение длительного периода; например, их можно настроить на запись выборки каждые 10 секунд в течение 24 часов. Полученный объем данных управляем и позволяет рассчитывать ограниченный диапазон сводных показателей (таких как среднее среднеквадратичное поле, пиковое поле, медианное поле, разница между последовательными измерениями и время выше определенного порога).

Большинство устройств контроля электрических и магнитных полей используют фильтрацию для ограничения диапазона измеряемых частот. Такое устройство может измерять узкую полосу частот от 50 до 60 Гц или покрывать широкую полосу частот от 20 до 2000 Гц. Независимо от измеренного частотного диапазона, приборы сообщают одно число, отражающее сумму всех полей в этом частотном диапазоне.

Самый распространенный метод определения электрического поля — это измерение напряжения между двумя проводниками.В одном популярном инструменте два проводника являются верхней и нижней половинами корпуса устройства. Поскольку присутствие пользователя прибора может изменить электрическое поле, датчик измерительного устройства должен удерживаться вдали от тела с помощью длинного непроводящего стержня. Чтобы снять показания, пользователь поворачивает зонд до тех пор, пока его ось не станет параллельна направлению электрического поля (максимальное показание).

Наиболее распространенный метод, используемый для определения магнитного поля, — это измерение напряжения, индуцируемого в катушке с проволокой переменным полем.Чтобы снять показания, катушку необходимо повернуть до тех пор, пока ее ось не станет параллельной направлению магнитного поля. В некоторых устройствах используется катушка, отдельная от электронного блока прибора; другие включают катушку в корпус прибора, так что все устройство должно вращаться. В более дорогих приборах для измерения магнитных полей используются три ортогональные катушки в корпусе прибора. Вместо того, чтобы вращать одну катушку, устройства определяют три взаимно перпендикулярных компонента поля этими катушками и вычисляют векторную сумму полей.Процедуры измерения электрических и магнитных полей в окружающей среде подробно описаны в ANSI / IEEE (1987).

Расчет поля

Для четко определенных источников плотность магнитного потока может быть рассчитана точно, а измерения подтверждают точность таких расчетов. Электрические поля также могут быть вычислены, но поскольку поля возмущаются проводящими объектами, вычисления часто имеют ограниченную ценность, если возмущения от таких объектов не могут быть смоделированы. При правильном выполнении расчеты электрических и магнитных полей более точны, чем измерения; Фактически, устройства для измерения поля часто калибруются по расчетному полю простого геометрического расположения проводников.

Для большинства условий (дома или на рабочем месте) геометрия проводников сложна или неизвестна, поэтому необходимо использовать измерения. Для распределительных линий, даже несмотря на то, что геометрия относительно проста, токи не одинаковы в каждом проводе (не сбалансированы) и, как правило, не известны достаточно точно, чтобы полагаться на вычисления. Однако для линий передачи количество передаваемой мощности обычно регистрируется, и линейные токи обычно достаточно сбалансированы, чтобы их можно было точно оценить; следовательно, поле можно рассчитать точно, если предположить, что поблизости нет других источников или защитных материалов.

Индуцированные поля и токи

Размещение биологической системы или препарата клеток в электромагнитном поле КНЧ вызывает внутренние электрические токи, поля и поверхностные заряды на границах раздела электрически разнородных сред. Такое поведение описывается уравнениями Максвелла. В случае полей КНЧ можно значительно упростить решение уравнений. Решения квазистатические. Из-за размера объектов и электрических свойств биологической ткани учетом глубины проникновения можно пренебречь.Кроме того, когда оценивается электрическая проницаемость тканей, становится очевидным, что для частот до нескольких килогерц индуцированный ток проводимости намного больше, чем индуцированный ток смещения, потому что σ / we >> 1, где σ — объемная проводимость , ε — диэлектрическая проницаемость среды, а ω — в 2π раз больше частоты излучения (см. диэлектрические свойства тканей и клеток у Фостера и Швана (1986)). Следовательно, электромагнитное поле КНЧ создает токи и электрические поля в открытой биологической системе и вызывает колеблющиеся (на уровне СНЧ) заряды на границах раздела (т.е.е., для интерфейса между внешним биологическим телом и воздухом и для внутренних интерфейсов, например, между различными тканями и клеткой и клеточной средой). Величины и пространственные структуры этих токов и полей зависят от типа поля экспонирования, его характеристик (частота, величина, ориентация и т. Д.), А также размера, формы и электрических свойств экспонируемой системы. Существует важное различие между физическим взаимодействием электрического поля с биологической системой и взаимодействием магнитного поля с биологической системой.

Воздействие электрического поля

Фундаментальный анализ (например, Kaune and Gillis 1981; Polk 1986) показывает, что биологические тела вызывают значительные возмущения внешнего электрического поля. Внутренние поля, индуцированные воздействием электрических полей с частотой 50 и 60 Гц, обычно в 10 -6 -10 -7 раз ниже, чем внешние поля для проводящего тела, такого как питательная среда или животное. Плотность заряда на границе раздела ткань-воздух значительна, а внешнее электрическое поле приблизительно перпендикулярно поверхности биологически проводящего тела.Локальные электрические поля выше среднего, но примерно на 10 -5 ниже поля воздействия, могут возникать на острых краях внутри биологических объектов.

Индуцированные электрические поля и токи были рассчитаны и измерены для простых и более реалистичных моделей животных, включая людей. Ранний анализ сильно упрощенных моделей людей и животных, представленных в виде сфер (Spiegel 1976) или сфероидов (Shiau and Valentino 1981), дает только оценки порядка величины. Более надежная информация получается из анализа более реалистичных моделей, проведенного несколькими исследователями (Spiegel 1981; Chiban et al.1984; Chen et al. 1986; Димбилов 1987, 1988; Харт 1990). Также доступны результаты нескольких измерений людей и животных и их моделей (Deno 1977; Kaune and Phillips 1980; Kaune 1981a, b; Kaune and Forsythe 1985; Hart 1992a, b; Gandhi and Chen 1992). Доступны недавние обзоры по этим темам (Tenforde and Kaune 1987; Bracken 1992; Misakian et al. 1993). В совокупности эти исследования количественно подтверждают общие особенности физического взаимодействия между биологическими телами и внешними электрическими полями.Как и ожидалось, они также указывают на то, что индуцированные внутренние поля и возмущение внешнего поля зависят от того, заземлено ли проводящее тело и каким образом. Для заземленных людей и животных общий индуцированный ток (ток короткого замыкания) можно надежно оценить с помощью простой формулы (Deno 1977; Kaune and Phillips 1980). Для этого отчета наиболее важным аспектом этих дозиметрических исследований является различие между различными видами животных по различным параметрам (например, электрическое поле на поверхности тела, среднее индуцированное электрическое поле или плотность тока, или максимальная плотность индуцированного тока).Для иллюстрации масштабные коэффициенты, основанные на некоторых параметрах, показаны в (Kaune and Phillips 1980; Kaune 1981a; Kaune and Forsythe 1988; Bracken 1992).

ТАБЛИЦА 2-15

Типичные коэффициенты масштабирования для создания эквивалентных индуцированных токов для заземленных животных по сравнению с заземленным человеком высотой 1,7 м, стоящим в вертикальном поле 1 кВ / м (однородные модели).

Следует отметить, что коэффициенты масштабирования дают только приблизительное руководство, если вообще дают возможность делать выводы на основе исследований на животных и in vitro.Значения являются приблизительными и предназначены для однородных моделей. Анализ с использованием более совершенных моделей и с учетом различных положений, которые человек может занять в поле воздействия, показывает большие различия в плотности наведенного тока (Dimbylow, 1987). Что еще более важно, не было определено, какие характеристики поля воздействия или внутреннего поля ответственны за биологическое взаимодействие. Тем не менее, используются плотности наведенного тока и соответствующие наведенные электрические поля = / σ, которые, вероятно, будут полезны для сравнения различных видов и препаратов in vitro.В некоторых экспериментах они также используются в качестве руководства по величине поля экспонирования. Использование такого масштабирования и ссылка на индуцированное электрическое поле и плотность тока не являются необоснованными. Это хорошо зарекомендовавший себя механизм физического взаимодействия, который может помочь в разработке гипотез и, в конечном итоге, в понимании вовлеченных биофизических взаимодействий.

Воздействие магнитного поля

Наведенные электрические поля и токи от воздействия 50-60 Гц и других магнитных полей СНЧ могут быть найдены путем решения уравнений Максвелла при тех же упрощающих условиях, что и для электрического поля (т.е., квазистатический случай, большая глубина проникновения). Основное отличие состоит в том, что токи, индуцированные магнитными полями СНЧ, образуют замкнутые контуры. Их часто называют «вихревыми токами» (Polk 1986). Для простой геометрии и однородных магнитных полей плотности тока или напряженности электрического поля можно легко найти из аналитических выражений, полученных из закона Фарадея. Индуцированное напряжение (электродвижущая сила) вокруг замкнутого пути в проводящей среде равно

, где — вектор наведенного электрического поля, — длина вектора приращения вдоль замкнутого контура

к элементу поверхности ds , и является вектором плотности магнитного потока.Если поверхность s перпендикулярна и однородна, то индуцированное электрическое поле для круговой траектории с радиусом r составляет

, где ω = 2π f , а индуцированное электрическое поле направлено в направлении l , единичный вектор вдоль замкнутой круговой траектории. Плотность электрического тока тогда определяется как

, где σ — объемная проводимость; σ — скалярная величина для изотропных проводящих сред и тензор второго ранга для анизотропных проводящих сред.

Вторичное магнитное поле, индуцированное током в проводящей среде (определяемое уравнениями с 2-2 по 2-7), не учитывается. Ошибка из-за этого упрощения составляет менее малой доли процента, пока выполняется следующее условие (Polk 1986):

, где L — наибольший размер биологического тела.

Упрощенный анализ использовался для оценки порядка величины индуцированных токов и полей у экспериментальных животных и людей.Они также использовались для оценки индуцированных токов и полей в различных клеточных препаратах, используемых в лабораторных исследованиях. Хотя такой упрощенный анализ полезен во многих случаях, при некоторых условиях он может вводить в заблуждение.

Были проанализированы однородные сфероиды и эллипсоиды размеров и форм, представляющие людей и грызунов (Spiegel 1977; Hart 1992a, b). Численный анализ также применялся к неоднородному представлению человеческого тела в однородном поле (Gandhi and Chen 1992; Xi et al.1994), а для головы были проведены расчеты с высоким пространственным разрешением (Xi and Stuchly 1994). Ограниченные измерения были выполнены на крысах, которые в целом подтверждают результаты моделей на грызунах (Miller 1991). Однако неоднородность тканей значительно изменяет анализ (Polk 1990; Polk and Song 1990). Репрезентативные данные для гетерогенной модели человека с расчетами, проведенными на сетке 1,3 см 3 клеток, и аналогичные расчеты для однородных грызунов приведены в качестве эталона для масштабирования и сравнения с токами и полями, вызванными воздействием электрического поля. .Во всех случаях ориентация магнитного поля выбирается так, чтобы получить максимальные значения плотности наведенного тока. Эти условия означают, что магнитное поле направлено спереди назад (и наоборот), что переводится в горизонтальное магнитное поле для человека и вертикальное магнитное поле для грызуна в его обычном положении. Значения межвидового масштабирования отличаются от часто используемых и основаны на предполагаемых максимальных путях токов для различных видов. Например, сравнивая максимальные токи, соотношение 1: 9 получено для людей и крыс из результатов моделирования и 1: 6 из соотношений веса к объему (максимальный путь тока).

ТАБЛИЦА 2-16

Типичные наведенные токи и поля для однородного магнитного поля 1 мкТл, 60 Гц.

Плотность наведенного тока также была рассчитана для линейного мастера, работающего вблизи линий электропередач (Stuchly and Zhao 1996). Как и следовало ожидать, как средние, так и максимальные значения в этом случае намного больше, чем при воздействии окружающей среды. Сравнение дано в. Диапазон максимальных плотностей тока, индуцируемого локально портативными приборами, также приведен в той же таблице (Cheng et. Al.1995).

ТАБЛИЦА 2-17

Плотности тока, индуцируемые у человека магнитным полем частотой 60 Гц при различных условиях воздействия.

Интересно сравнить индуцированные токи при воздействии на человека электрического и магнитного полей частотой 60 Гц. Ссылаясь на таблицы и, примерно одинаковые максимальные плотности тока (2 мкА / м 2 ) получены при воздействии электрического поля 4 В / м и магнитного поля 0,1 мкТл (1 мГс). (Эти результаты относятся к одинаковым плотностям тока в голове при воздействии магнитного поля и в шее при воздействии электрического поля.) Другое сравнение можно провести, рассматривая среднее и максимальное наведенные электрические поля. Для воздействия электрического поля коэффициент уменьшения составляет около 10 -7 для среднего поля и 10 -5 для максимального поля по сравнению с внешним электрическим полем. Следовательно, для среднего электрического поля воздействие электрических полей 14-18 В / м и магнитных полей 0,1 мкТл (1 мГс) эквивалентно, а для максимальных наведенных электрических полей — 3 В / м электрических полей и 0,1 мкТл. Магнитные поля -µT (1-мГс) эквивалентны.При сравнении максимальных значений либо плотности индуцированного тока, либо электрических полей, получаются очень близкие уровни электрических (4 В / м и 3 В / м) и магнитных (0,1 мкТл) полей в окружающей среде.

Плотность эндогенного тока, связанная с потенциалами действия возбудимых тканей, составляет порядка 1 мА / м 2 или электрического поля приблизительно 1 мВ / м. Для получения аналогичных плотностей наведенного тока от воздействия внешних полей с частотой 60 Гц потребуется воздействие на человека электрических полей примерно 2 кВ / м или магнитных полей 100 мкТл (1 G).Эти поля значительно больше, чем обычно встречаются в жилых помещениях.

Индуцированные токи и поля до сих пор оценивались для сильно упрощенной структуры тканей с учетом только ее объемных электрических свойств. Включение клеточной структуры, включая анизотропию, представляет собой сложную задачу, которая до сих пор не решена (McLeod 1992; Polk 1992a, b).

Оценка наведенного тока и электрических полей также важна для количественной оценки и интерпретации результатов лабораторных исследований in vitro.Это особенно важно при определении того, обусловлен ли наблюдаемый биологический эффект магнитным полем или электрическими токами и полями, индуцированными в исследуемом образце магнитным полем. Когда результаты исследования в одной лаборатории не подтверждаются другими данными из других лабораторий, оценка индуцированных полей также может быть полезна для обнаружения различий в очевидно идентичных экспериментах.

Для биологических клеток с низкой плотностью, помещенных в проводящую среду, плотность индуцированного тока может быть вычислена исключительно на основе геометрии среды, содержащейся в экспонирующей чашке, и характеристик магнитного поля (Misakian et al.1993). Были опубликованы методы расчета для нескольких форм тарелок, включая кольцевое кольцо (McLeod et al. 1983; Misakian and Kaune 1990; Misakian 1991; Misakian et al. 1993; Wang et al. 1993). Некоторые конфигурации тарелок и ориентации магнитного поля позволяют получить одинаковую плотность тока в большей части объема среды, занимаемой ячейками. Однако даже при низкой плотности присутствие биологических клеток влияет на пространственную картину индуцированных токов и полей из-за низкой проводимости клеточных мембран.Влияние плотности клеток гораздо более выражено, когда плотность высока и когда клетки образуют сливной монослой (Hart et al. 1993; Stuchly and Xi 1994).

Электростатическое поле — обзор

27.4 Форма капли

Влияние электростатического поля на форму капли — хорошо известное явление, растягивающее каплю вдоль направления поля, как показано на рисунке 27.6. В 1882 году лорд Рэлей первым начал исследование взаимодействия зарядов и электрических полей на каплях жидкости.Он теоретически вывел критическое количество зарядов, необходимое для дестабилизации изолированной сферической капли с поверхностным зарядом. Его работа вдохновила начало электрогидродинамики (Melcher and Taylor, 1969).

За последние три десятилетия форма и устойчивость сидячих капель под действием электрических полей анализировались во многих работах. Розенкильде (1969) исследовал равновесие и устойчивость несжимаемой диэлектрической капли, находящейся в однородном электрическом поле. Предполагая, что капля эллипсоидальная, он предложил связь между равновесной деформацией, напряженностью электрического поля, размерами капли и поверхностным натяжением.Также была указана причина нестабильности высоких диэлектрических проницаемостей жидкости (Rosenkilde, 1969).

Миксис (1981) предложил численную модель для расчета формы осесимметричной капли под действием постоянного электрического поля, что дает хорошее согласие с экспериментами. Его результаты показывают критическое значение диэлектрической проницаемости, при котором капли удлиняются и сохраняют свою первоначальную сфероидальную форму. Выше этого критического значения капля приобрела коническую форму.

В своих численных работах Basaran и Wohlhuter (Wohlhuter and Basaran, 1992; Basaran and Wohlhuter, 1992) рассчитали форму и устойчивость осесимметричного кулона и сидячих капель или пузырьков с учетом того, что линия контакта фиксирована или задана.Их первые расчеты основывались на предположении, что проводящие капли являются линейно поляризуемыми материалами (Wohlhuter and Basaran, 1992). Равновесная форма и устойчивость капель определяются одновременным решением уравнений Лапласа и Юнга – Лапласа. Исследование, учитывающее нелинейную поляризацию капель, было выполнено путем замены уравнения Максвелла уравнением Лапласа (Basaran and Wohlhuter, 1992). Их расчеты показали важность изменения расстояния между пластинами конденсатора, которое влияет на напряженность электрического поля и размер капли.

Резник и др. (2004) выделили три сценария эволюции формы капли в сильных электрических полях, определяемых значениями электрического числа Бонда и основанных на численном решении уравнений Стокса. В слабом электрическом поле капли подвергаются максвелловским напряжениям и имеют стационарную форму. В сильных электрических полях и при малых статических углах смачивания капли приобретают коническую форму, и струя начинается с кончика капли. Окончательный сценарий соответствует отрыву почти всей капли (т.е., явление капания), которое возникает из-за сильного электрического поля и угла смачивания, превышающего критическое значение. Численная модель хорошо согласуется с экспериментальными результатами для капель полимера (Reznik et al., 2004).

Bateni et al. (2004; 2005a, b) основывали свою методологию ADSA-EF на предположении об осесимметричной форме капли. ADSA-EF можно использовать для измерения поверхностного натяжения капли в электрическом поле с гравитационным эффектом и без него. Из уравнения Юнга – Лапласа, описываемого формулой.В уравнении (27.2) они учли электрическое давление Δ P e , которое зависит от диэлектрической проницаемости жидкостей, силы и направления электрического поля, следующим образом:

(27.11) ΔPe = 12 [ε0En (g ) 2 − ε0 (εr − 1) Et2]

где E t и E n — тангенциальная и нормальная составляющие электрического поля на поверхности капли соответственно, а надстрочные индексы l и g относятся к капельной жидкости и окружающей жидкости, рассматриваемой как воздух, соответственно.Когда капля представляет собой проводящую жидкость, внутри нее нет электрического поля, и уравнение Юнга – Лапласа упрощается как

(27.12) γ (1R1−1R2) = ΔP0 + (Δρ) gz + 12ε0En (g) 2

Из уравнения. (27.12) и модуль электростатического поля, они численно предсказали форму капли с помощью итерационной схемы, как показано на рисунке 27.5.

Рисунок 27.5. Прогнозирование формы капли с помощью итерационных расчетов (Bateni et al., 2004).

Ди Марко и др. (2013) оценили электрическую силу, действующую на поверхность раздела сидячей капли этанола, и сравнили экспериментальные результаты с теоретической моделью, основанной на равновесном действии сидящей капли с учетом электрического поля и силы тяжести.Экспериментальная установка состоит из плоской алюминиевой пластины, снабженной отверстием для впрыска капель. Пластина электрически заземлена и покрыта слоем тефлона. Электрод из нержавеющей стали в форме шайбы размером 4 мм × 15 мм укладывают параллельно пластине на расстоянии 6 мм и подключают к положительному полюсу источника высокого напряжения, который может обеспечивать до 8 кВ постоянного тока. Результирующее электрическое поле в резонаторе имеет среднюю напряженность 13,3 · 10 3 В · см −1 . Форма полученных капель показана на рисунке 27.6. Капли, подвергнутые воздействию электрического поля, вытянуты в направлении электрического поля из-за изменения кривизны границы раздела под локальным электрическим напряжением, как сообщалось ранее. Краевой угол и кривизна на вершине капли увеличиваются с увеличением напряженности электрического поля.

Рисунок 27.6. Форма капли этанола для разной напряженности электрического поля (Di Marco et al., 2013).

Профиль капель и их геометрические параметры (угол смачивания, размеры капли и объем) обрабатываются специальным программным обеспечением для обработки изображений, которое может идентифицировать и интерполировать профиль капли.Эти измерения позволяют оценить результирующие силы, действующие на каплю из-за веса, адгезии и внутреннего давления. В отсутствие электрического поля экспериментальные значения силы, действующей на каплю, хорошо согласуются с теоретическими предсказаниями, и это подтвердило метод. Следовательно, в присутствии электрического поля результирующую электрическую силу, действующую на каплю, можно оценить по разнице и сравнить с теоретическими моделями.

почему мы не используем магнитную энергию, которую дает Земля, для создания электричества?

Любопытные дети — серия для детей.Если у вас есть вопрос, на который вам нужен эксперт, отправьте его по адресу [email protected] Возможно, вам также понравится подкаст «Представь это», совместное производство ABC KIDS listen и The Conversation, основанное на «Любопытных детях».


Почему мы не используем магнитную энергию, которую дает Земля, для создания электричества? — ученица 5-го класса естественных наук г-жи Браун Южной начальной школы Неэрим, Виктория.


Привет!

Сначала это звучит неплохо, но не очень практично.Прежде чем я объясню почему, позвольте мне сначала объяснить, как мы производим электричество, если кто-то, читающий это, еще не знает.

Электричество (скажем, «электрический ток») — это когда электрически заряженные частицы текут, как вода в трубе. Есть два вида электрических зарядов — положительный и отрицательный. Положительные заряды притягивают отрицательные заряды, но две частицы с одинаковым зарядом (как положительные, так и отрицательные) будут отталкиваться. Это означает, что они раздвигаются.

Другими словами, противоположности притягиваются.

Обычно электрический ток состоит из крошечных отрицательных зарядов, называемых «электронами», которые исходят от атомов.

Все, к чему вы можете прикоснуться, состоит из атомов. Каждый атом окружен облаком электронов, беспорядочно движущихся, как пчелы, вокруг улья, притягиваемых положительными зарядами в центре (или «ядре») атома.

Электрический ток обычно возникает, когда электроны покидают свои атомы и перетекают к другим атомам.


Подробнее: Любопытные дети: как и почему магниты слипаются?


Как создать электрический ток

Есть три основных способа производства электрического тока.

Первый — это батарейки. В батареях существует «электрохимическая реакция», которая заставляет электроны переходить от одного типа атома к другому с более сильным притяжением к электронам. Батарея предназначена для того, чтобы заставить эти электроны проходить через провод в ваши электронные устройства.

Второй способ — солнечные батареи. Световая энергия поглощается электронами в чем-то, что называется «полупроводниками» (обычно кремнием), что заставляет электроны двигаться, создавая электрический ток.

Но я думаю, вы спрашиваете о третьем способе, который обычно используется для генерации электрического тока для электрических розеток в вашем доме.

Прядение бухты проволоки в сильном магнитном поле

Третий способ — быстро провести электрический провод через магнитное поле.Вам нужно сделать это, потому что электроны в проводе не могут чувствовать магнитную силу, если они не движутся.

Чтобы получить ток, достаточный для всех, вы должны пропустить много провода через магнитное поле. Мы делаем это, быстро раскручивая катушку (содержащую множество петель из проволоки) в сильном магнитном поле.

Во время каждого поворота катушки электроны получают толчок от магнитного поля, перемещая их. Это создает электрический ток. На этой анимации S представляет «южный полюс» магнита, а N — «северный полюс».Анимация показывает только одну петлю из проволоки, вращающейся в магнитном поле. В реальном генераторе были бы сотни или даже тысячи петель.

Машины, которые это делают, называются генераторами. Вы можете вращать змеевик, используя падающую воду (это называется «гидроэлектричество»), пар (полученный из угля, нефти, газа, ядерной энергии или тепла от Солнца), ветряные турбины, использующие ветер, и так далее.

В большинстве генераторов каждый раз, когда катушка делает пол-оборота, электроны получают магнитный удар.В следующий пол-оборота они получают магнитный удар в обратном направлении. Это означает, что направление тока продолжает быстро меняться в течение многих циклов.

Электрический ток, меняющий направление, называют «переменным током» или сокращенно AC. Батареи вырабатывают ток, который движется только в одном направлении, называемом «постоянный ток» или сокращенно DC.

В генераторах мы не забираем энергию из магнитного поля. Энергия, переходящая в электрический ток, на самом деле исходит из энергии, используемой для вращения катушки.Ученые называют это «кинетической энергией».

Назад к магнитному полю Земли

Теперь (наконец!) Отвечу на ваш вопрос: почему бы нам не использовать магнитное поле Земли для выработки электричества?

Сила тока, производимого генератором, в основном зависит, по крайней мере, от трех вещей: 1) количества витков провода в катушке, 2) скорости вращения катушки и 3) силы магнитного поля.

Магнитное поле Земли очень слабое, поэтому от вашего генератора будет очень мало тока.

Насколько слаб? Вы когда-нибудь видели магниты из неодима, железа и бора в форме пуговиц, которые также называют «неомагнитами»? (Будьте осторожны, они действительно могут вас ущипнуть).

Эти магниты маленькие, но мощные. Flickr / brett jordan, CC BY

У них магнитные поля примерно в 6000 раз сильнее, чем магнитное поле Земли. Магнитные поля внутри электрических генераторов похожи на это.

Даже магниты на холодильник имеют магнитные поля примерно в 200 раз сильнее, чем у Земли.

Обновление: эта статья была обновлена ​​21 мая, чтобы включить ядерную энергию в список источников энергии.


Подробнее: Любопытные дети: почему с деревьев падают листья?


Здравствуйте, любопытные детки! У вас есть вопрос, на который вы хотите дать ответ эксперта? Попросите взрослого отправить свой вопрос по адресу [email protected]

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *