Structura forței emf. Formula EMF de inducție

« Fizica - clasa a X-a"

Orice sursă de curent este caracterizată de forță electromotoare sau EMF prescurtată. Deci, pe o baterie rotundă de lanternă scrie: 1,5 V.
Ce înseamnă?

Dacă conectați două bile încărcate opus cu un conductor, sarcinile se vor neutraliza rapid una pe cealaltă, potențialele bilelor vor deveni aceleași, iar câmpul electric va dispărea (Fig. 15.9, a).

Forțele exterioare.

Pentru ca curentul să fie constant, este necesar să se mențină o tensiune constantă între bile. Pentru a face acest lucru, aveți nevoie de un dispozitiv (sursă de curent) care să mute sarcinile de la o minge la alta în direcția opusă direcției forțelor care acționează asupra acestor sarcini din lateral. câmp electric bile. Într-un astfel de dispozitiv, pe lângă forțele electrice, sarcinile trebuie să fie acționate de forțe de origine neelectrostatică (Fig. 15.9, b). Numai câmpul electric al particulelor încărcate ( Câmpul Coulomb) nu este capabil să mențină un curent constant în circuit.

Orice forță care acționează asupra particulelor încărcate electric, cu excepția forțelor de origine electrostatică (adică, forțele Coulomb), se numesc forțe exterioare.

Concluzia despre necesitatea forțelor externe pentru a menține un curent constant în circuit va deveni și mai evidentă dacă ne întoarcem la legea conservării energiei.

Câmpul electrostatic este potențial. Munca efectuată de acest câmp atunci când particulele încărcate se deplasează în el de-a lungul unui circuit electric închis este zero. Trecerea curentului prin conductori este însoțită de eliberarea de energie - conductorul se încălzește. Prin urmare, trebuie să existe o sursă de energie în circuit care o furnizează circuitului. În ea, pe lângă forțele Coulomb, trebuie să acționeze forțe terțe, nepotențiale. Lucrul acestor forțe de-a lungul unei bucle închise trebuie să fie diferit de zero.

În procesul de a lucra prin aceste forțe, particulele încărcate dobândesc energie în interiorul sursei de curent și apoi o dau conductoarelor circuitului electric.

Forțele terțe pun în mișcare particulele încărcate în interiorul tuturor surselor de curent: în generatoare de la centrale electrice, în celule galvanice, baterii etc.

Când un circuit este închis, se creează un câmp electric în toți conductorii circuitului. În interiorul sursei de curent, sarcinile se deplasează sub influența forțe externe împotriva forțelor coulombiene(electroni de la un electrod încărcat pozitiv la unul negativ), iar într-un circuit extern ei sunt antrenați de un câmp electric (vezi Fig. 15.9, b).

Natura forțelor externe.

Natura forțelor externe poate fi variată. În generatoarele de centrale electrice, forțele externe sunt forțe care acționează din exterior câmp magnetic la electroni dintr-un conductor în mișcare.

Într-o celulă galvanică, cum ar fi o celulă Volta, acționează forțele chimice.

Celula Volta este formată din electrozi de zinc și cupru plasați într-o soluție de acid sulfuric. Forțele chimice fac ca zincul să se dizolve în acid. Ionii de zinc încărcați pozitiv trec în soluție, iar electrodul de zinc însuși devine încărcat negativ. (Cupru se dizolvă foarte puțin în acid sulfuric.) Între electrozii de zinc și de cupru apare o diferență de potențial, care determină curentul în circuitul electric extern.

Acţiunea forţelor externe se caracterizează printr-o importantă mărime fizică, numit forta electromotoare(abreviat EMF).

Forța electromotoare sursa de curent este egală cu raportul dintre munca forțelor externe atunci când se deplasează o sarcină de-a lungul unui circuit închis și valoarea absolută a acestei sarcini:

Forța electromotoare, ca și tensiunea, este exprimată în volți.

Diferența de potențial între bornele bateriei când circuitul este deschis este egală cu forța electromotoare. FEM a unei celule de baterie este de obicei de 1-2 V.

De asemenea, putem vorbi despre forța electromotoare în orice parte a circuitului. Aceasta este munca specifică a forțelor externe (lucrare pentru a muta o singură sarcină) nu pe întregul circuit, ci numai într-o zonă dată.

Forța electromotoare a unei celule galvanice este o cantitate egală numeric cu munca forțelor externe atunci când se deplasează o singură sarcină pozitivă în interiorul elementului de la un pol la altul.

Lucrarea forțelor externe nu poate fi exprimată printr-o diferență de potențial, deoarece forțele externe sunt nepotențiale și munca lor depinde de forma traiectoriei sarcinilor.

PRIN METODĂ DE COMPENSARE

Scopul lucrării: familiarizați-vă cu metoda de compensare pentru măsurarea EMF.

Dispozitive și accesorii: element normal cu fem e N, sursă în studiu e x, baterie auxiliară e , potențiometru PP-63, conductori, galvanometru G(e N, e G adesea încorporat într-un potențiometru), divizor de tensiune, cheie.

Informații din teorie

Dacă există rezistenţă la capetele conductorului R(Fig. 5.1, a) există o diferență de potențial j 1 - j 2, apoi curentul circulă prin conductor. Pentru ca curentul să rămână constant pentru o perioadă de timp, diferența de potențial trebuie menținută constantă în acest timp. Aceasta înseamnă că sarcinile pozitive ajung într-un punct 2 , trebuie să o mutați cumva înapoi la obiect 1 , unde potențialj 1 > j2. Forțele câmpului electric nu pot face acest lucru, deoarece sunt direcționate către potențialul inferior. Prin urmare, munca efectuată pentru a muta sarcinile pozitive dintr-un punct 2 la obiect 1 poate executa doar forțe de origine neelectrică (de exemplu, forțe mecanice, forțe natura chimica etc.). Aceste forțe sunt numite terț.

Orez. 5.1 Fig.5.2

Această lucrare este efectuată practic de surse de curent conectate la circuit (Fig. 5.1, b). Forțele externe ale sursei sunt cele care mută sarcinile pozitive de la un potențial inferior (terminalul „–”) la un potențial superior (terminalul „+”).

O caracteristică importantă asociată cu munca forțelor externe ale unei surse de curent este o cantitate numită forță electromotoare . FEM a sursei este numeric egală cu munca efectuată de forțele externe la mutarea unei unități de sarcină pozitivă de la terminalul „–” la terminalul „+” din interiorul sursei. Trebuie totuși avut în vedere faptul că, deși sarcinile se deplasează de-a lungul circuitului extern sub influența unui câmp electric, câmpul în sine (diferența de potențial în secțiunea externă) este creat datorită muncii forțelor externe. Cu cât este mai mare fem a sursei, cu atât curentul poate face mai multă muncă în circuitul acestei surse.

FEM sursei este măsurată în volți și coincide cu diferența de potențial la bornele sursei atunci când circuitul este deschis. Într-adevăr, să scriem legea lui Ohm pentru un circuit închis (vezi Fig. 5.1, b)

iar pentru secțiunea de lanț

.

Comparând aceste formule, obținem

.

Rezultă că atunci când curentul trece prin circuit, diferența de potențial dintre polii sursei este mai mică decât fem. Când circuitul este deschis (R®¥ ) e = j 1 - j 2 .

Una dintre metodele simple și fiabile de măsurare a EMF este așa-numita compensatorie metodă. Circuitul electric pentru implementarea acestei metode este prezentat în Fig. 5.2, unde e x este o sursă cu o f.e. necunoscută, e N este un element normal (cu o f.e. cunoscută), e o baterie auxiliară. Se presupune că e N < e și e x < e. Când cheia este închisă K 1 printr-un reostat R curentul curge. Dacă comutatorul P este închis la e N , atunci curentul va curge prin galvanometru G.

Să scriem prima regulă Kirchhoff pentru nod b(vezi Fig. 5.2):

eu + eu r -Eu 1 = 0 , (5.1)

și a doua regulă a lui Kirchhoff pentru contur O e N ba :

Ir a b -Eu r (r + r G ) = e N , (5,2)

Unde r- rezistenta interna a sursei e N ; r r este rezistența galvanometrului.

Mutarea unui punct b, poți alege așa ceva R ab = R¢ ab, la care nu trece curent prin galvanometru: eu r = 0. În acest caz

I R¢ a,b = e N . (5,3)

(EMF e N compensată de căderea de tensiune din zonă ab- parte a CEM e). Dacă comutatorul P este mutat în e x, atunci se mută punctul b, puteți alege o astfel de rezistență R ab = R¢¢ ab , la care eu G = 0 . În acest caz

I R¢¢ ab = e x. (5,4)

Împărțind ecuația (5.3) la (5.4), obținem , din care

, (5.5)

aceste. pentru a determina e x este suficient să cunoaștem e N și raportul R¢¢ ab /R¢’ab .

Principiul de funcționare al potențiometrului

Potențiometrele sunt dispozitive pentru măsurarea EMF a surselor de curent, termo-EMF și pentru alte scopuri. Principiul funcționării lor se bazează pe metoda de compensare. În această lucrare, se folosește un potențiometru PP-63.

Panoul frontal al dispozitivului este prezentat în Fig. 5.3, unde bornele NE, BP, X sunt folosite pentru a conecta un element normal e N, baterie e și sursă cu EMF necunoscută - e X. De regulă, e N și e sunt deja conectate și se află în interiorul potențiometrului, deci comutatoarele trebuie să fie în poziția „B” (interioară). Tasta „Power” corespunde tastei K 1 (vezi Fig. 5.2), tastele „K” și „I” corespund comutatorului P, G – galvanometru nul.

Comanda de lucru

1. Setați curentul de funcționare eu(compensa e N). Când compensarea e Tasta N K 1 este închisă, comutatorul P este setat în poziția „K” (control). Curentul va curge în toate secțiunile circuitului (Fig. 5.2). Mânerele P 1 (reglare brută) și P 2 (finisare) stabilesc curentul în galvanometru euГ = 0. În acest caz, căderea de tensiune în zonă R¢ ab va fi egal cu e N , aceste. I R¢ ab = e N . După aceasta, mânerele P 1 și P 2 nu pot fi atinse.

Actual eu, care curge printr-un rezistor R(Fig. 5.2), în absența curentului în galvanometru acesta va fi constant și se numește curent de funcționare. Valoarea sa depinde doar de e și de rezistența totală a circuitului prin care trece curentul eu.

2. Determinați e x . Deoarece e x ar trebui să fie mai puțin decât e,a le avem de aceeași ordine, atunci e x nu ar trebui să fie conectat direct la terminale " X”, și printr-un divizor de tensiune. Întocmește o diagramă a unei astfel de conexiuni și include-o în raport. Știind ce parte din e x va fi măsurată, este ușor să calculăm tot e x. . Când determinați ex, trebuie să setați comutatorul P în poziția „I” (măsurare). În acest caz, în loc de e N, e x va fi inclus în circuit (vezi Fig. 5.2 Prin apăsarea butonului „Coarse”, închidem circuitul galvanometru și curentul va curge prin el).

Mânere L 1 și L 2 (sunt asociate cu rezistența R) setați curentul din galvanometru la zero. Apoi, în loc de butonul „Aspru”, trebuie să apăsați butonul „Fine” și să utilizați mânerul L 2 instalați eu r = 0.

Din punct de vedere structural, potențiometrul este proiectat astfel încât valoarea emf e x măsurată să fie determinată în mV indicații de cântare situate sub mânere L 1 și L 2 (EMF măsurată este egală cu suma citirilor la eu r = 0). E x trebuie măsurat de cel puțin șase ori.

După fiecare măsurătoare cu mânerele L 1 și L 2 citirile sunt oprite. Introduceți rezultatele în tabel.

Nu, schimbare	e x,i	e x,i –x >	(e x,i –x >) 2
. .
S=			S=
x >		t a ,n =	d= D=

3. Rezultatele măsurătorilor procesului:

a) găsiți jumătate de lățime interval de încredere conform formulei

,

unde D S- abaterea standard; t o (n)- Coeficient de student, selectat în funcție de fiabilitatea a (a 0,95 £) și de numărul de măsurători n; k a - Coeficientul elevului la n ®¥, k aº t o (¥); d - eroare maximă de instrument; D este valoarea diviziunii la scară a dispozitivului (în acest caz, când L 2);

b) găsiți eroarea relativă;

c) scrieți rezultatul final în formă

e x = ± De X pentru a = , e = %.

LUCRARE DE LABORATOR Nr 6

EMF (ε)- raportul dintre munca forțelor externe pentru a separa sarcinile și mărimea acestei sarcini, în caz contrar, capacitatea unei surse date de a da cantitatea necesarăîncărcături de energie necesară.

- EMF.
EMF nu este o forțăîn sens newtonian (un nume nefericit pentru o cantitate, păstrat ca tribut adus tradiției).
ε i apare la schimbare flux magnetic F străpungerea conturului.

În plus vezi prezentarea „Inducție electromagnetică”, precum și videoclipurile „Inducție electromagnetică”, „Experimentul lui Faraday”, desene animate „Inducție electromagnetică”, „Rotația unui cadru într-un câmp magnetic (generator)”

- FEM de inducție.

- fem indusă atunci când unul dintre conductorii circuitului se mișcă (astfel încât F se schimbă). În acest caz, lungimea conductorului l, deplasându-se cu viteză v devine o sursă de curent.

- fem indusă într-un circuit care se rotește într-un câmp magnetic cu viteza ω.

Alte formule în care apare EMF:

- Legea lui Ohm pentru un circuit complet. Într-un circuit închis, fem produce un curent electric I.

Direcția curentului de inducție este determinată conform regulilor:
- regula Lenz- curent indus care apare într-un circuit închis împotriva lucreaza pentru asta schimba flux magnetic care provoacă acest curent;
- pentru un conductor care se deplasează într-un câmp magnetic, uneori este mai ușor să folosești regula mâna dreaptă - dacă plasezi deschis palma dreapta astfel încât în ​​ea inclus liniile electrice câmp magnetic ÎN, A degetul mare , pus deoparte ascuțit direcția vitezei v, Asta patru degete mâinile vor îndrepta direcția curentului de inducție I.

- EMF de autoinducție atunci când curentul din conductor se modifică.

Să aflăm care este valoarea principală caracteristică a sursei curente. Orice sursă de curent are doi poli: pozitiv și negativ. Pentru ca acesta să aibă acești poli, este necesar să colectați sarcini pozitive gratuite în interiorul său la un pol și negative la celălalt. Pentru a face acest lucru, trebuie să lucrați. Această muncă nu poate fi realizată de forțe electrostatice, deoarece, spre deosebire de sarcini, se atrag reciproc, dar ele trebuie separate. Munca de acumulare a sarcinilor este efectuată nu de forțe electrostatice, ci de forțe externe. Natura acestuia din urmă poate fi diferită. De exemplu, în generatoare curent electric Separarea sarcinilor se realizează prin forțele câmpului magnetic, în baterii și celule galvanice - prin cele chimice. Un studiu al surselor de curent arată că raportul dintre munca unei forțe externe și sarcina acumulată la pol pentru o anumită sursă de curent este o valoare constantă și se numește forța electromotoare a sursei de curent:

Forța electromotoare a sursei de curent

O mărime scalară, care este o caracteristică a unei surse de curent și măsurată prin munca efectuată de o forță externă în interiorul acesteia prin acumularea a 1 k de sarcină la fiecare pol, se numește forța electromotoare a sursei de curent.Încărcați 1 la, acumulat la polul sursei de curent, are energie electrică potenţială numeric egală cu e. d.s. sursă.

Unitatea e. d.s.

Să măsurăm e. d.s. sursa curenta. Să conectăm un voltmetru la celula galvanică demonstrativă (Fig. 75, a) *. Schimbarea poziție relativă electrozii din electrolit, precum și cantitatea de imersare a acestora în electrolit, vedem că citirile voltmetrului ( 1,02 in) nu se schimba. E.m.f. nu depinde de dimensiunea sursei curente. Depinde doar de natura forțelor externe care provoacă acumularea de sarcini la poli. Fiecare sursă de curent are propriul e. d.s.

* (Cu această măsurătoare, de ex. d.s. Citirea voltmetrului va fi puțin mai mică decât valoarea e. d.s. Cu cât rezistența bobinei voltmetrului este mai mare în comparație cu rezistența internă a sursei, cu atât această diferență va fi mai mică, ceea ce se observă în experimentul descris.)

Când un circuit electric este închis, sursa de curent formează un câmp electric staționar în fire și îi transferă energia acumulată de sarcinile de la poli. Datorită acestei energii, câmpul staționar funcționează pentru a crea un curent, transferându-i energia acestuia, pe care consumatorul curent o transformă în alte tipuri de energie.

Partea internă a circuitului, care alcătuiește sursa de curent, ca orice conductor, are rezistență; se numeste rezistența internă a sursei de curent r. Într-un generator de curent, rezistența internă este rezistența înfășurării armăturii în sursele chimice, rezistența este electrolitul;

Când circuitul este închis, câmpul electric mișcă sarcina 1 la de la punctul A la punctul B de-a lungul secțiunii exterioare a circuitului (Fig. 75, b), efectuează un lucru care este numeric egal cu tensiunea U din această secțiune. După ce a ajuns la polul B, încărcarea 1 la trebuie să meargă în secțiunea internă a circuitului și să se deplaseze la polul A. Pentru ca acesta să ajungă din nou la polul A și să aibă aceeași energie E ca la ieșirea din punctul A, forțele externe ale sursei de curent trebuie să lucreze în mod egal asupra acestuia. la munca cheltuită asupra mișcării de-a lungul secțiunii exterioare a circuitului, care este numeric egală cu tensiunea U din această secțiune, plus munca petrecută pentru depășirea rezistenței interne r a sursei. Acesta din urmă este numeric egal cu tensiunea u pe secțiunea internă a circuitului. Prin urmare, e. d.s. sursa este egală numeric E = U + u.Forța electromotoare este numeric egală cu munca pe care o face sursa de curent prin deplasarea unei sarcini de 1 k pe tot circuitul.

Să măsurăm tensiunea în secțiunile externe și interne; lanțuri (Fig. 75, c) *. Voltmetrul A arată tensiunea pe rezistența externă R, iar voltmetrul B arată tensiunea la cea internă; rezistenta r. Modificarea valorii rezistenței circuitului extern; observăm că în acest caz tensiunea în secțiunile circuitului se modifică (Tabelul 4).

* (Sondele 1 și 2 sunt realizate din sârmă groasă de cupru în izolație cu clorură de vinil, care este tăiată din partea situată spre mijlocul vasului. Sondele vin în contact cu izolația și electrozii.)

Vedem că suma tensiunilor de pe secțiunile externe și interne ale circuitului este o valoare constantă (în cadrul erorilor experimentale) și este egală cu e. d.s. sursă. Acesta arată cantitatea de energie pe care sursa de curent o poate transfera circuitului electric atunci când se deplasează de-a lungul întregului circuit de încărcare în 1 k.

Forța electromotoare indusă (EMF) apare în următoarele cazuri:

1. Când un conductor în mișcare traversează un câmp magnetic staționar sau, dimpotrivă, un câmp magnetic în mișcare traversează un conductor staționar; sau când un conductor și un câmp magnetic, care se deplasează în spațiu, se mișcă unul față de celălalt;
2. Când un câmp magnetic alternant al unui conductor, care acționează asupra altui conductor, induce în el un EMF (inducție reciprocă);
3. Când un câmp magnetic în schimbare induce un EMF (auto-inducție) în el însuși.

Astfel, orice modificare în timp a mărimii fluxului magnetic care pătrunde într-un circuit închis (turn, cadru) este însoțită de apariția unei feme induse în conductor.

După cum s-a menționat în articolul „Fenomenul inducției electromagnetice”, direcția EMF a inducției magnetice depinde de direcția de mișcare a conductorului și de direcția câmpului magnetic.

Pentru a determina direcția emf indusă într-un conductor, se folosește „regula mâinii drepte”. Este după cum urmează: dacă puneți mental mâna dreaptă într-un câmp magnetic de-a lungul conductorului astfel încât liniile magnetice care ies din polul nord, a intrat în palmă, iar degetul mare îndoit a coincis cu direcția de mișcare a conductorului, apoi patru degete extinse vor indica direcția emf indusă în conductor(Figura 1).

Figura 1. Determinarea direcției FEM indusă într-un conductor folosind „regula mâinii drepte”

În cazurile în care conductorul rămâne staționar și câmpul magnetic se mișcă, pentru a determina direcția emf indusă este necesar să presupunem că câmpul rămâne staționar și conductorul se deplasează în lateral, mișcare inversă câmpuri și aplicați „regula mâinii drepte”.

Fenomenul FEM indus poate fi explicat și folosind teoria electronică.

Să plasăm un conductor într-un câmp magnetic. Electronii liberi ai conductorului vor fi în mișcare termică aleatorie. Sarcinile pozitive și negative sunt distribuite uniform pe întregul volum al conductorului și se neutralizează reciproc. Vom deplasa conductorul cu o anumită viteză într-un câmp magnetic uniform în direcție n(Figura 2) perpendicular pe vectorul de inducție magnetică. Liniile magnetice, prezentate sub formă de puncte, sunt îndreptate din spatele planului desenului către cititor.

În acest caz, asupra sarcinilor electrice ale conductorului va acționa o forță, sub influența căreia electronii liberi vor primi o componentă suplimentară de viteză și se vor deplasa de-a lungul conductorului.

În timp ce sarcinile pozitive asociate cu rețeaua cristalină a conductorului nu se mișcă în raport cu conductorul, electronii liberi care se mișcă cu conductorul se pot deplasa în raport cu acesta.

În exemplul nostru, electronii se deplasează de la marginea inferioară a conductorului la marginea sa superioară, care corespunde direcției curentului de sus în jos. Direcția emf indusă și a curentului în conductor, după cum se poate observa cu ușurință, este în concordanță cu regula mâinii drepte.

Mărimea EMF a inducției câmpului magnetic într-un conductor depinde de:

1. asupra mărimii inducţiei B câmp magnetic, deoarece cu cât liniile de inducție magnetică sunt mai dense, cu atât număr mai mare conductorul le va traversa intr-o unitate de timp (secunda);
2. asupra vitezei conductorului vîntr-un câmp magnetic, deoarece la viteze mari conductorul poate traversa mai multe linii de inducție pe secundă;
3. de la lungimea de lucru (situată într-un câmp magnetic) a conductorului l, deoarece un conductor lung poate traversa mai multe linii de inducție pe secundă;
4. asupra valorii sinusului unghiului α dintre direcția de mișcare a conductorului și direcția câmpului magnetic (Figura 3).

Descompunem vectorul viteză al unui conductor într-un câmp magnetic în două componente: vn- componenta normala la directia campului ( vn = v× sin α) și v t- componenta tangentiala ( v t = v× cos α), care nu participă la crearea EMF, deoarece atunci când se mișcă sub influența componentei tangențiale, conductorul s-ar deplasa paralel cu vectorul Bși nu ar traversa liniile de inducție magnetică.

Formula pentru fem indusă face posibilă determinarea valorii acesteia:

e = B × l × v× sin α (B) .

Cunoașterea fenomenului inducție electromagnetică, luați în considerare din nou procesul de transformare energie electrica la mecanic.

Figura 4. Conversia energiei electrice în energie mecanică

Fie un conductor drept AB (Figura 4), prin care curge curent de la o sursă de tensiune, să fie plasat într-un câmp magnetic extern. Dacă conductorul este nemișcat, atunci energia sursei de tensiune este cheltuită exclusiv pentru încălzirea conductorului:

O = U × eu × t = eu² × r × t(J).

Puterea consumată va fi egală cu:

P el = U × eu = eu² × r(W)

de unde determinăm curentul din circuit:

(1)

Cu toate acestea, știm că un conductor purtător de curent plasat într-un câmp magnetic va experimenta o forță din câmp care tinde să miște conductorul în câmpul magnetic în direcția determinată de regula stângii. În timpul mișcării sale, conductorul va traversa liniile câmpului magnetic și, conform legii inducției electromagnetice, în el va apărea o fem indusă. Direcția acestui EMF, determinată de regula din dreapta, va fi opusă curentului eu. Să-l numim înapoi EMF E arr. Magnitudinea E arr conform legii inducției electromagnetice va fi egală.