Elektromagnetizmas

1. Elektromagnetizmas Elektromagnetinė indukcija

2. Turinys • Įvadas......................................................................3 • Bandymai................................................................4 • Bandymų išvados...................................................11 • Magnetai................................................................12 • Magnetinės linijos..................................................13 • Magnetinių linijų kryptis........................................20 • Indukcinė elektrovara............................................23 • Magnetinis srautas................................................24 • Kintamas magnetinis laukas..................................27 • Srauto kitimo greitis..............................................28 • Vijų skaičius ritėje..................................................29 • Indukcinės elektrovaros formulė...........................32 • Priedai...................................................................33

3. Elektromagnetinės indukcijos reiškinys Didysis anglų fizikas Maiklas Faradėjus kartą iškėlė klausimą: Jei elektros srovė sukuria magnetinį lauką, tai ar neįmanomas atvirkščias reiškinys, t.y. ar magnetinis laukas negali sukelti elektros srovės? Šis klausimas jam nedavė ramybės beveik 10 metų, kol pagaliau jis šią hipotezę patvirtino. Pasinaudojęs magnetu bei rite, jis gavo elektros energiją. Šis reiškinys yra pagrįstas elektromagnetinės indukcijos dėsniu. Maiklas Faradėjus

4. N N Elektromagnetinės indukcijos reiškiniui išsiaiškinti atlikime bandymą. S S Mums reikės: • Dviejų magnetų: stipraus ir silpno • Ritės Stiprus Silpnas • Galvanometro. Jis parodo ar grandine teka srovė. 0 2 1 1 2 G

5. Galvanometrą sujunkime su rite. Paimkime stiprųjį magnetą. N N N N Įkiškime magnetą į ritės vidų ir ištraukime.Įdėmiai stebėkite galvanometrą. S S S S Matome:galvanometro rodyklė siekė dviejų žymą skalėje-rite ėmė tekėti elektros srovė. Stiprus Stiprus Stiprus Stiprus 0 2 1 1 2 G

6. N Pakartokime bandymą, tačiau šį kartą magnetą įkiškime ir ištraukime lėtai. S Kai magnetą judinome lėčiau, galvanometras rodė, kad susikūrė mažesnė elektros srovė-rodyklė skalėje rodė tik vienetą. Stiprus 0 2 1 1 2 G

8. Tokia pat tvarkaatlikimebandymą su silpnuoju magnetu. N N N Greitai įkiškime magnetą į ritę ir ištraukime. S S S Rite tekėjo elektros srovė-galvanometro rodyklė parodė vienetą. Silpnas Silpnas Silpnas 0 2 1 1 2 G

9. N Dabar magnetą įkiškime ir ištraukime lėtai. S Rite tekėjo srovė, tačiau labai silpnai-galvanometro rodyklė tik vos vos pajudėjo iš vietos. Stiprus 0 2 1 1 2 G

11. Bandymų išvados: • Stipresniu magnetu sukuriama didesnė srovė, negu silpnesniu. • Magnetą įkišant ir ištraukiant greičiau sukuriama didesnė srovė, negu tai darant lėčiau. Kyla klausimas: Kodėl taip yra? Tam, kad į šį klausimą galėtumėme atsakyti, mums reikės išnagrinėti magnetinės indukcijos reiškinį detaliau. Visų pirma, apžvelkime magnetus, išnagrinėkime jų savybes ir ypatumus.

12. Nuolatiniai magnetai Nuolatiniai magnetai, tai medžiagos arba daiktai, apie save nuolatos kuriantys magnetinį lauką. Magnetai dažniausiai būna pagaminti iš geležies (kai kada į lydinį gali būti įmaišoma nikelio, kobalto) todėl dar vadinami ir feromagnetikais. Magnetinis laukas yra nematomas, tačiau yra atsakingas už pačią svarbiausią magneto savybę – veikti kūnus tam tikra jėga.

13. Kiekvienas magnetas kuria tam tikro pastovaus stiprumo magnetinį lauką. Mangetinis laukas tikrovėje yra nematomas, o brėžiniuose vaizduojamas magnetinėmis linijomis. N N N Magnetinės linijos yra koncentriškai (taisyklingais apskritimais) išsidėsčiusios aplink kvadratinį magnetą. Šiam bandymui naudojame strypinį magnetą, kuris yra šiek tiek pailgas, todėl ir linijos tampa truputį ištęstos. S S S Skirtingo stiprumo magnetai turi skirtingą magnetinių linijų skaičių. Kuo linijų daugiau, tuo magnetinis laukas, esantis aplink magnetą, yra stipresnis. Silpnas magnetas Stiprus magnetas

14. Magnetinės linijos nėra vien mokslininkų išsigalvojimas. Jos iš tiesų egzistuoja aplink magnetus. Tuo įsitikinti galime magnetą padėję ant balto popieriaus lapo ir iš viršaus berdami smulkias geležies dulkeles. Apie magnetą atsiras taisyklingais apskritimais išsidėsčiusios geležies dulkelių linijos. Taip magnetas pats padaro savo magnetinių linijų „autoportretą“.

15. Magneto magnetinio lauko linijas taipogi galime pamatyti apie magnetą padėję keletą kompasų arba magnetinių rodyklių. Įvairiuose taškuose apie magnetą, magnetinių rodyklių arba kompasų rodyklės bus gražiai, tvarkingai pasisukusios išilgai magnetinio lauko linijų, esančių tame erdvės taške. Tai gražiai pademonstruoja šie filmukai:

19. Magnetinės linijos pasižymi šiomis savybėmis: • Linijos yra uždaros – neturi nei pradžios, nei pabaigos. • Linijos apie magnetą yra išsidėsčiusios koncentriniais apskritimais. • Linijos turi kryptį.

20. Linijų kryptis yra nustatoma šalia magneto padėjus magnetinę rodyklę. Magnetinių linijų kryptimi, yra priimta laikyti kryptį iš Smagnetinės rodyklės poliaus į N polių. N N N N S S N S S -magnetinė rodyklė S Silpnas Stiprus

21. Kompaso rodyklės smaigalys yra kompasorodyklės N polius. N • Šalia magneto padedame kompasą. • Kompaso rodyklė pradeda reaguoti į magneto magnetinį lauką ir pasisuka tam tikru kampu (kompaso rodyklės S polius stumiasi nuo magneto S poliaus ir traukiasi prie magneto N poliaus; kompaso rodyklės N polius(kompaso rodyklės smaigalys) stumiasi nuo magneto N poliaus ir traukiasi prie S magneto poliaus). • Kadangi kompaso rodyklės smaigalys yra N polius, tai reiškia, kad magnetinių linijų kryptis yra tokia pati, kaip ir kompaso rodyklės rodoma kryptis: S S E E S W W N N - kompasas

22. Magnetinės linijos labai panašiai išsidėsto ir aplink pasaginį magnetą. N S N S

23. Elektromagnetinės indukcijos reiškinyje magnetas yra labai svarbus komponentas. Nuo jo dalinai priklauso sukurta elektrinė įtampa, kitaip vadinama indukcine elektrovara (žymima Ԑ arba Evj).

24. Visų pirma, kaip jau bandymų metu įsitikinome indukcinės elektrovaros didumas priklauso nuo to, kokį magnetą pasirinksime – stiprų ar silpną. • Stipriu magnetu sukuriama didesnė elektrovara, silpnesniu - mažesnė. Tam, kad galėtumėme nagrinėti elektromagnetinės indukcijos reiškinį, mums būtina įsivesti keletą naujų dydžių. Pirmasis iš jų yra magnetinis srautas. Magnetinis srautas, tai magnetinių linijų skaičius, tenkantis plotui. Magnetinis srautas yra žymimas raide ir matuojamas vėberiais : Anksčiau jau matyti stiprus ir silpnas magnetai tarpusavyje skyrėsi tik magnetinio srauto didumu.

25. Tuo momentu, kai magnetas yra toli nuo ritės, magneto magnetinės linijos taip pat dar neliečia ritės ir magneto magnetinis srautas ritės atžvilgiu yra lygus nuliui: N Kai magnetas yra įkištas į ritę iki pusės, ritę liečia maksimalus įmanomas magneto magnetinių linijų skaičius, todėl magneto magnetinis srautas ritės atžvilgiu yra pats didžiausias: S Kai magnetas priartėja prie ritės, dalis magneto magnetinių linijų kerta ritę ir magneto magnetinis srautas ritės atžvilgiu yra didesnis už nulį, bet mažesnis už didžiausią įmanomą magnetinį srautą:

26. Jei magnetą kuriam laikui paliksime iki pusės įkištą į ritę, pamatysime, kad ritėje nesusidarys srovė, nors ir magnetinis srautas bus maksimalus.Kodėl taip yra?

27. Pasirodo, kad norint ritėje indukuoti elektrovarą, magnetas turi judėti, t.y. ritę turi kirsti kintamas magnetinis laukas. Norint gauti kintamą magnetinį lauką, reikia, kad ritės atžvilgiu nuolat kistų magnetinis srautas, t.y. magnetas nuolat judėtų. Kadangi pakitęs magnetinis srautas ir tuo laikotarpiu praėjęs laikas yra vienas su kitu labai glaudžiai susieti, tai patogiau būtų sakyti, kad sukurta elektrovara priklauso nuo magnetinio srauto kitimo greičio.

28. Magnetinio srauto kitimo greitis yra matuojamas vėberiais per sekundę (Wb/s) ir fizikoje žymimas : Šioje formulėje yra srauto pokytis. Tai dydis vėberiais, gaunamas iš galutinio magnetinio srauto atėmus pradinį: - Laiko pokytis, t.y. praėjęs laikas, gaunamas iš galutinio laiko atėmus pradinį laiką:

29. Taip pat svarbus ritės vijų skaičius. Kuo jis didesnis, tuo didesnė indukcinė elektrovara. Jeigu ritė turi ne vieną, o n nuosekliai sujungtų vijų, tai ritėje indukuota elektrovara yra n kartų didesnė, nei vienoje vijoje.

30. Kai naudojame ritę su prijungtomis 25 vijomis elektrovara yra:

31. Kai naudojame ritę su 2400 prijungtų vijų elektrovara yra:

32. Galutinė formulė, skirta skaičiuoti indukcinei elektrovarai Ԑ yra: Šioje formulėje minuso ženklas parodo tik kryptį, kuria teka srovė, nes elektrovara yra skaliarinis dydis.