Продовження, початок : Електромагнітні індукції та генерація електричного поля від магнітного поля.
Тлумачення Сили Лоренца натякає що у провіднику є електричні заряди які збуджуються при дії на них вектора магнітної індукції.
Сила Лоренца - це сила, яка діє на заряджену частинку, що рухається в електромагнітному полі. Вона складається з двох частин: сили, що діє з боку електричного поля, і сили, що діє з боку магнітного поля. Електричне поле діє на заряд вздовж силових ліній поля, а магнітне поле діє лише на рухомі заряди, перпендикулярно до напрямку руху заряду та напрямку магнітної індукції.Формула для сили Лоренца: FL = q(E + [v x B]), де q – заряд частинки, E – напруженість електричного поля, v – швидкість частинки, B – магнітна індукція, а [v x B] – векторний добуток швидкості та магнітної індукції.
Швидше за все у формулі Лоренца об'єднані всі дії в замкнутому ланцюзі: електромагнітної індукції в модулі швидкої зміни магнітного потоку (індукції), сили струму та сили Ампера від наявності струму - магнітної індукції навколо дроту із струмом:
Е = -dBm/dt; I = ∆q/∆t тотожній Bi=-∆Ei/∆t бо I це Bi ; FA = B / (IL) або FA = I [∆L x B].
FA = Bm / (BiL) або FA = Bm [∆L x Bi]
Тому вираз Сили Лоренца FL = q(E + [v x B]) більше підходить виразу сили Ампера FA = I[∆L x B]. Ми з'ясували, що Сила Ампера ніяк не пов'язана з електромагнітною індукцією Фарадея. На жаль, сила Лоренца скоріше бажання пояснити явище електромагнітної індукції з дії сили магнітної індукції на наявність зарядів у провіднику було невдало. Електрична індукція на провіднику – це поверховий ефект. Наявність "сонливих" електричних зарядів у провіднику які "збуджуються" в змінному магнітному полі, або у провіднику що рухається у магнітному полі - дією сили магнітного поля, - невдало? Що є справжнім механизмом утворення електричної індукції навколо дроту в змінном магнітном поле невідомо.
Що є силова лінія ЕРС на провіднику? Вона тотожня той самой лінії електричної індукції Ei яка має продовження від джерела накопичувача з диелектричним діполем ED, у електричному колі, за одним винятком - джерелом є магнітна індукція Bm зовнішнього магнітного поля, яка має змінний характер до провідника:
Але якщо ми згадаємо, як працює тертя ебонітової палички по шерсті і як на паличці генерується електрична напруга, ми можемо спробувати провести аналогію. Провідник рухається в магнітному полі, а матеріал провідника має магнітну проникність. Ефект тертя дроту об лінію магнітної індукції може працювати. Але тензор сили Лоренца не має протилежності силі Ампера. ЕРС генерується у фазній обмотці навіть при холостому обертанні за відсутності сили опору магнітного тертя дроту об магнітні силові лінії. Я вважаю, що термін сила Лоренца не відноситься до силового прояву реакції якоря, яка є явищем взаємодії магнітного поля, що створюється струмом в обмотці якоря електричної машини, з основним магнітним полем машини. Простіше кажучи, це вплив струму в обмотці якоря на магнітний потік, що генерується обмоткою збудження, який може призвести до спотворення основного магнітного поля і вплинути на роботу машини.
Дуже суперечливо вважати силу Лоренца постійною "за константу" по відношенню до генерації ЕРС в змінному магнітному полі або коли провідник перетинає магнітне поле. Те, що ми отримуємо на дроті у вигляді ЕРС, не є самостійною складовою електричної індукції, джерелом якої є вплив магнітного поля на магнітну проникність провідника. Джерелом при умові [v x B] є "тертя" вдовж напрямку вектора магнітної індукції [Bm], або проти цього вектору.
Самоіндукція — явище виникнення струму електрорушійної сили в провіднику при зміні електричного струму в ньому. Знак електрорушійної сили завжди такий, що вона протидіє зміні сили струму. Самоіндукція призводить до скінченного часу наростання сили струму при вмиканні джерела живлення і спадання струму при розмиканні електричного кола.
Величина електрорушійної сили самоіндукції визначається за формулою: E=−L (dI/dt), де E — електрорушийна сила, I — сила струму, L — індуктивність (або коефіцієнт самоіндукції) - коефіцієнт пропорційності між електричним струмом I, що тече в будь-якому замкнутому контурі, і повним магнітним потоком Φ, що зветься також потокозчепленням, створюваним цим струмом через поверхню, краєм якої є цей контур.
Як простіше, то маємо ділянку дроту на якій відбувається електромагнітна індукція (Закон Ампера) ∇×Ві = - dEi/dt. При розриві ланцюга від джерела, магнітна індукція навколо дроту вмить починає зменшуватися, ця дія також є магнітним тертям для матеріалу повідника з магнітною проникністю. Швидкість з якою зменшується Ві висока, тож маємо зворотний ефект ЕРС на Закон Ампера ∇×Ei=- dBi/dt. Якщо дріт має побудову в котушку, то магнітний контур ще має тороїдальну конструкцію, що посилює значення магнітної індукції Ві, яка взаємодіє з провідником. Якщо котушка має залізний сердечник то додатково індукується ще холодне магнітне поле ∇×Bm=µВі. Вираз самоіндукції, при збудженні холодноої манітної індукції в осерді та горячої магнітної індукції у дротах котушки буде мати вигляд:
∇×Ei = - d(Ві+Bm)/dt
Згадаємо експерімент Майкла Фарадея, який експериментував зі схемами та магнітними котушками ще в далеких часах 1830-ті рр. Його експериментальна установка, яка привела до закону Фардея, показана на малюнку:
Сам експеримент дещо простий. Коли акумулятор від'єднаний, У нас по дроту не протікає електричний струм. Отже, магнітного немає потік, індукований у залізі (магнітному сердечнику). Залізо – це як шосе для Магнітні поля - вони дуже легко протікають через магнітний матеріал. Отже, мета серцевини полягає в тому, щоб створити шлях для протікання магнітного потоку.
Коли вимикач замкнутий, електричний струм буде протікати всередині дроту кріпиться до акумулятора. Коли цей струм протікає, він має пов'язану магнітну поле (або магнітний потік) з ним. Коли дріт обмотується навколо лівої сторони магнітний сердечник (як показано на малюнку), індукується магнітне поле (магнітний потік) в межах ядра. Цей потік рухається навколо ядра. Так магнітний потік вироблена дротяною котушкою зліва існує в дротовій котушці справа, який підключається до амперметра.
Тепер відбувається кумедна річ, яку зауважив Фарадей. Коли він закрив вимикач, Тоді струм почав би протікати, і амперметр підскочив би в одну сторону (скажімо, вимірювання +10 Ампер з іншого боку). Але це було дуже коротко, і струм на Права котушка піде в нуль. Коли перемикач був розімкнутий, вимірюється струм стрибнуть в іншу сторону (скажімо, буде виміряно -10 Ампер), а потім Виміряний струм з правого боку знову дорівнюватиме нулю.
Фарадей зрозумів, що відбувається. Коли перемикач був змінений спочатку Від відкритого до закритого магнітного потоку всередині магнітного сердечника збільшувався від нуля до деякого максимального числа (яке було постійною величиною, в порівнянні з часом). Коли потік збільшувався, існував індукований струм на протилежному бік.
Аналогічно, коли перемикач був розімкнутий, магнітний потік в сердечнику зменшувався б від його постійного значення назад до нуля. Звідси випливає, що зменшується потік в межах Серцевина індукувала протилежний струм з правого боку.
Фарадей з'ясував, що змінюється магнітний потік в ланцюзі (або замкнутому контурі дроту) виробляла індуковану ЕРС, або напругу в ланцюзі. Він написав це так:
[2]
У рівнянні [2] магнітний потік Ф, знаходиться магнітний потік в ланцюзі, а ЕРС - це електрорушійна сила, яка в основному є джерело напруги. Тоді рівняння [2] говорить, що індукована напруга в ланцюзі є протилежною часовій швидкості зміни магнітного потоку.
Запевняю вас у тому, що у цьому ексерименті Майкл Фарадей мав страву з чотирма явищами електромагнітних індукцій.
А. При замиканні перемикача з первинною обмоткою до гальванічної батареї, виконання електромагнітної індукції у закрученому колі:
∇×Вi = - dEi / dt (Рівня Максвелла за законом Ампера: ∇×H = J + dD/dt)
В. Індукція магнітного потоку в кільцевому залізному осерді:
∇×Bm=µВі
С. При вимиканні перемикача з первинною обмоткою, виконання явища самоідукції у первинній та вторинній обмотках
∇×Ei = - d(Вi+Bm)/dt
D. Виконання явища взаємної міждротяної індукції (взаємоіндукції). Це питання розглянемо окремо, бо причинне тлумачення фізики невірне:
Взаємоіндукція (взаємна індукція) — явище виникнення ЕРС індукції в одному контурі за зміни сили струму в другому контурі і навпаки. Взаємоіндукція — окремий випадок електромагнітної індукції.
При зміні сили струму в першому контурі, у другому виникає ЕРС:
E2=-dΨ1/dt =-L (dI1/dt)
де E2— електрорушійна сила в другому контурі; Ψ — потокозчеплення першого контуру; I — сила струму в першому контурі; L — взаємна індуктивність контурів.
Розглянемо цю електромагнітну індукцію - взаємоіндукцію окремо далі в площині експеримента Фарадея. Я вже досліджував взаємну індукцію та самоіндукцію у площині роботи трансформатора: Transformer.
Добре, маємо з'ясувати, що відбувається в електромагнітному приладі, якій в електротехніці має назву електричній трансформатор. Що ми знаємо .
В електротехніці трансформатор (EN) - це пасивний компонент, який передає електричну енергію з одного електричного кола в інший ланцюг або кілька ланцюгів. Змінний струм у будь-якій котушці трансформатора створює змінний магнітний потік у сердечнику трансформатора, який індукує змінну електрорушійну силу (ЕРС) на будь-які інші котушки, намотані на той самий сердечник. Електрична енергія може передаватися між окремими котушками без металевого (провідного) з'єднання між двома ланцюгами. Закон індукції Фарадея, відкритий в 1831 році, описує ефект індукованої напруги в будь-якій котушці через зміну магнітного потоку, оточеного котушкою.
або
Трансформатор (UA) (від лат. transformo — перетворювати) — пристрій для перетворення параметрів (амплітуд і фаз) напруги і струмів
Трансформатор — статичний електромагнітний пристрій, що має дві або більше індуктивне зв'язані обмотки і призначений для перетворення за допомогою електромагнітної індукції однієї або кількох систем (напруги) змінного струму в одну або декілька інших систем (напруги) змінного струму без зміни частоти системи (напруги) змінного струму.
Освіта та науковці стверджують що в цьому приладі виконується алгоритм електромагнітної індукції Фарадея. Тобто причиною ЕРС вторинної обмотки є магнітне поле яке створюється первинною обмоткою. При чому праця приладу краще з залізним осердям ніж без осердя. Я не погоджуюсь з твердженням що за цім принципом дії працюють трансформатори з двома обмотками. Перше всі трансформатори це прилади які змінюють вихідну напругу, та розраховуються за принципом вольт-витків. З цього моменту, як що розрахувати два прилади с осердям та без нього, на підставі явища ЕРС Фарадея, то в приладі без осердя нам не вистачить магнітної індукції для отримання відповідного значення ЕРС у вторинної обмотці приладу.
Приклад: маємо дві котушки соленоїдного типу. Припустимо в нас намотана дів котушки одна на одну. Довжина намотки 3 см (0,03 м). Припустимо що наш пристрій працює на частоті перемикань f-1000 Гц. Первинна зовнішня намотка 60 витків, внутрішня вторинна намотка 20 витків. Напруга первинної намотки 12В, а очікуємо зниження напруги до 4В [60/20=3; 12/4 =3].
Робимо розрахунки:
Внутрішня порожнина первинної намотки де розміщується вторинна намотка складає циліндр діаметром 2 см (0,02 м) та висотою 3 см (0,03 м), з поперечним перетином:
S = πr2 = π * 0.022 = 0.0004 * π ≈ 0.001256 м2
Магнітну індукцію розрахуємо за відповідною формулою: B = μ0 (N/l)I = μ0nI; де N – число витків у соленоїді, l – довжина намотування соленоїда, n – число витків на одиницю довжини, I – сила струму у соленоїді, μ0 – магнітна постійна (4π·10−7 Гн/м). Розрахуємо: n = 60/0.03 = 2000
B= μ0nI = (4π·10−7 Гн/м) * 2000 * 1А = 0,002512 Тесла
Формула за якою будемо розраховувати ЕРС вторинної обмотки має назву трансформаторна ЕРС:
Е = 2πNΦf/√2 = 4,44NΦf
Нам потрібно обчислити величину магнітного потоку Φ = BS (Вебера), додати його в формулу і обчислити:
E2 = 4,44NBSf = 4,44 * 20 * 0,002512 Тесла * 0,001256 м2 * 1000 Гц = 0,2801 В
Як бачите, розрахунок показує, що це неможливо, але все ж пристрої працюють і досить успішно, наприклад, бездротова зарядка акумулятора смартфона.
Наступна сторинка: Електромагнітні індукції та генерація електричного поля від магнітного поля_3.
