艾媒报告丨2016-2017中国移动电竞市场研究报告

Електромагнетна индукци?а.

Електромагнетна индукци?а — добива?ето на електромоторна сила низ проводник кога истиот е изложен на променливо магнетно поле. Електромагнетната индукци?а математички е об?аснета преку Фарадеевиот закон за индукци?а, именуван по Ма?кл Фараде? кому му се припишува открива?ето на индукци?ата во 1831 година.

Истори?а

Ди?аграм на ко? е прикажана направата наречена Фарадеев железен прстен. Промената на магнетниот тек на левата намотка создава стру?а во десната намотка.

Фарадеев диск (Погледа?те хомополарен генератор)

Електромагнетната индукци?а била откриена независно од Ма?кл Фараде? во 1831 година и од ?озеф Хенри во 1832 година. Фараде? бил прв во об?авува?ето на резултатите од своите опити. При сво?от прв демонстрационен опит (29 август, 1831 година), Фараде? намотал две жици околу спротивните страни на метален прстен или ?торус“ (поставка слична на денешниот современ тороиден трансформатор). Врз основа неговата евалуаци?а на неодамнешните открити?а за сво?ствата на електромагнетите, то? очекувал по почетокот на протокот на стру?ата во едната жица, да се создаде бран ко? би пропатувал низ прстенот и на то? начин би се создал електричен ефект на спротивната страна. То? приклучил една од жиците во галванометар, и наб?удувал додека ?а прикачувал другата жица на батери?ата. Навистина, то? забележал транзиентна стру?а (ко?а ?а нарекол ?бран од електрицитет“) кога ?а поврзал жицата со батери?ата, и уште една транзиентна стру?а кога ?а откачил жицата од батери?ата. Оваа индукци?а се должи на промената на магнетниот тек ко? настанувал кога батери?ата се вклучувала и исклучувала. За два месеци, Фараде? изнашол уште про?ави на електромагнетната индукци?а. На пример, то? забележал транзиентна стру?а кога низ намотка брзо минувал со прачкест магнет, а со врте?е на бакарен диск во близина на прачкест магнет со лизгачки електричен проводник генерирал посто?ана (DC) стру?а (?Фарадеев диск“).

Фараде? ?а об?аснил електромагнетната индукци?а употребува??и го концептот ко? го нарекол силови линии. Сепак, научниците од то? период ги одбиле овие негови теориски идеи, на?многу поради тоа што истите не биле запишани математички. Исклучок бил Максвел, ко? ги искористил Фарадеевите идеи како основа за неговата квантитативна електромагнетна теори?а. Во Максвеловиот модел, временско менливата одлика на електромагнетната индукци?а се изразува како диференци?ална равенка ко?а Оливер Хевиса?д ?а нарекол Фарадеев закон иако е незначително поразлична од првичниот запис на Фараде? и истата не го опишува променливото ЕМП. Хевиса?довиот облик (Погледа?те ?а Максвел-Фарадеевата равенка подолу) е обликот ко? денес е препознатлив во групата на равенки познати под името Максвелови равенки.

Ха?нрих Ленц го запишал законот именуван со неговото име во 1834 година, за да го опише ?текот низ колото“. Ленцовиот закон ?а определува насоката на индуцираната електромоторна сила и стру?ата ко?а се добива од електромагнетната индукци?а. (По?ава об?аснета со примери во долниот дел од стати?ата).

По об?авува?ето на овие закони следеле многу открити?а на различни направи и уреди кои ?а користеле магнетната индукци?а.

Фарадеевиот опит ко? ?а прикажува индукци?ата ме?у намотки од жица: течната батери?а (десно) обезбедува стру?а ко?а претекува низ помалата намотка (A), со што се создава магнетно поле. Кога намотките се неподвижни, не се создава стру?а. Но кога помалата намотка се придвижува во и надвор од поголемата намотка (B), магнетниот тек низ поголемата намотка се менува, со што се создава стру?а ко?а може да се определи со помош на галванометар (G).

Фарадеевиот закон и Максвел-Фарадеевата равенка

Главна стати?а: Фарадеев закон за индукци?а

Законот во физиката ко? ги опишува процесите на електромагнетната индукци?а е познат како Фарадеев закон за индукци?а и наjраспространетиот облик на ово? закон вели дека индуцираната електромоторна сила во секое затворено електрично коло е еднаква на стапката на промена на магнетниот тек опфатен од тоа коло. Или запишано математички,

${\mathcal {E}}=-{{d\Phi _{\mathrm {B} }} \over dt}\$,

каде ${\mathcal {E}}$ е електромоторната сила (ЕМС) и Φ_B е магнетен тек. Насоката на електромоторната сила е определена со Ленцовиот закон. Ово? облик на Фарадеевиот закон строго важи само кога затвореното коло е намотка од бесконечно тенка жица, и истиот е неважечки при други услови. Поинаков облик на законот е Максвел-Фарадеевата равенка (опишана подолу), ко?а важи при сите услови.

За цврсто намотан омот од жица, составен од идентичен бро? на навивки N, при што низ секо?а минува подеднаков магнетен тек, се добива електромоторна сила определена со равенството

${\mathcal {E}}=-N{{d\Phi _{\mathrm {B} }} \over dt}$

Фарадеевиот закон за индукци?а го искористува магнетниот тек Φ_B низ хипотетична површина Σ чи?а граница е празнината во намотката. Биде??и празнината може да се придвижува се запишува Σ(t) за површината. Магнетниот тек е определен од површинскиот интеграл:

$\Phi _{\mathrm {B} }=\iint \limits _{\Sigma (t)}\mathbf {B} (\mathbf {r} ,t)\cdot d\mathbf {A} \ ,$

каде dA е елемент од површинската област на подвижната површина Σ(t), B е магнетното поле, и B·dA е скаларниот производ. Попросто кажано магнетниот тек низ празнината на намотката е пропорционален на бро?от на линиите на магнетниот тек кои минуваат низ таа празнина.

Кога текот се менува—поради промената на B, или пак поради придвижува?ето на празнината или не?зиното изменува?е, или пак двата настана истовремено, Фарадеевиот закон за индукци?а вели дека на празнината во намотката ? е потребна ЕМС, ${\mathcal {E}}$, определена од достапната енерги?а на единица полнеж ко? изминал еднаш низ празнината на намотката. Еднакво на ова е и дека напонот ко? би се измерил при сече?ето на жицата за да се создаде отворено коло, и да се прикачи волтметар на краевите.

Според Лоренцовата сила (во SI единици),

$\mathbf {F} =q\left(\mathbf {E} +\mathbf {v} \times \mathbf {B} \right)$

ЕМС на празнината во намотката е:

${\mathcal {E}}={\frac {1}{q}}\oint _{\mathrm {wire} }\mathbf {F} \cdot d{\boldsymbol {\ell }}=\oint _{\mathrm {wire} }\left(\mathbf {E} +\mathbf {v} \times \mathbf {B} \right)\cdot d{\boldsymbol {\ell }}$

каде E е електричното поле, B е магнетното поле (познат и како густина на магнетниот тек, магнетна индукци?а), d? е бескра?но мала лачна должина од жицата, и линискиот интеграл се пресметува по должината на жицата.

Максвел-Фарадеева равенка

Приказ на Келвин-Стоксовата теорема за површина Σ ограничена со ?Σ и насока n определена со правилото на десната рака.

Максвел-Фарадеева равенка е воопштува?е на Фарадеевиот закон кои тврди дека временски променливото магнетно поле е придружено со просторно променливо, запазувачко електрично поле, и обратно. Максвел-Фарадеева равенка гласи:

$\nabla \times \mathbf {E} =-{\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}$

каде $\nabla \times$ е ротор оператор и каде повторно E(r, t) е електричното поле и B(r, t) е магнетното поле. Овие поли?а може да се функции од местоположбата r и времето t.

Максвел-Фарадеева равенка е една од четирите Максвелови равенки, и поради тоа има важна улога во теори?ата на класичниот електромагнетизам. Истиот може да се запише и во интегрален облик со употреба на Келвин-Стоксовата теорема:

$\oint _{\partial \Sigma }\mathbf {E} \cdot d{\boldsymbol {\ell }}=-\int _{\Sigma }{\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}\cdot d\mathbf {A}$

каде, како што е прикажано:

Σ е површината ограничена со контура ?Σ,

E е електричното поле, B е магнетното поле.

d? е бесконечно мал векторски елемент од контурата ?Σ,

dA е бесконечно мал векторски елемент од контурата Σ. Ако насоката е ортогонална на дел од површината, величината е областа на бесконечно малиот дел од површината.

Истовремено d? и dA имаат неопределен знак,за да се определи точниот знак, се користи правилото на десната рака, на начинот об?аснет во Келвин-Стоксовата теорема. За рамна површина Σ, се определува позитивна насока на елементот d? на закривената ?Σ со помош на правилото на десната рака, при што прстите на десната рака ?а определуваат насоката и палецот е во насока n нормална на површината Σ.

Интегралот околу ?Σ се нарекува интеграл на патот или линиски интеграл.

Примена

Принципите на електромагнетната индукци?а се применети ка? многу уреди и системи вклучува??и ги:

• Стру?омерна клешта
• Електричен генератор
• Електромагнетно обликува?е
• Графички таблет
• Мерачи на Холовиот ефект
• Индукциони шпорети
• Индукционен мотор
• Индукционо запечатува?е
• Индукционо заварува?е
• Индуктивно полне?е
• Намотка
• Магнетен текометар
• Механички напо?увана батери?а
• Ровландов прстен
• Транскрани?ална магнетна стимулаци?а
• Трансформатор
• Безжичен пренос на енерги?а

Електричен генератор

Главна стати?а: Електричен генератор

Правоаголна жичена рамка ко?а се врти со аголна брзина ω ради?ално магнетно поле насочено нанадвор B со непроменлива величина. Колото е целосно образувано од четките кои имаат допир со горниот и долниот диск, кои пак имаат проводен раб. Станува збор за поедноставен облик на тапанест генератор

ЕМС добиена преку Фарадеевиот закон за индукци?а поради релативното движе?е на колото и магнетното поле е по?авата ко?а ги опишува електричните генератори. Кога посто?ан магнет е придвижен во близина на проводник, или обратно, се создава електромоторна сила. Ако жицата е поврзана на потрошувач, ?е протече стру?а, односно се создава електрична енерги?а, претвора??и ?а механичката енерги?а или движе?ето во електрична енерги?а. На пример, тапанестиот генератор е опишан на сликата десно. Поинаков облик на оваа иде?а е Фарадеев диск, прикажан во упростен облик десно.

При примерот со Фарадеевиот диск, дискот се ротира во посто?ано магнетно поле нормално на дискот, со што се предизвикува проток на стру?а во ради?алниот крак поради постое?ето на Лоренцова сила. Интересно е да се согледа и разбере како со помош на механичка работа се создава електрична енерги?а. Кога добиената електрична стру?а протекува низ проводниот раб, се создава магнетно поле преку Амперовиот закон (означен со ?индуцирано B“ на сликата). Работ на то? начин постанува електромагнет ко? се противи на врте?ето на дискот (пример за Ленцовиот закон). На другиот кра? од сликата, повратната стру?а протекува од вртечкиот крак низ другата страна од работ до долната четка. Магнетното поле добиено на ово? начин се противи на применетото магнетно поле, тежнее??и да го намали протекот од таа страна на колото, спротивставува??и се на зголемува?ето на текот поради врте?ето. На поблиската страна на сликата, повратната стру?а тече од вртечкиот крак низ поблиската страна на работ и повратната стру?а протекува од вртечкиот крак низ блиската страна на работ до долната четка. Добиеното магнетно поле го зголемува текот на оваа страна од колото, со што се спротивставува на намалува?ето на текот поради врте?ето. На то? начин, двете страни на колото создаваат ЕМС ко?а се противи на врте?ето. Енерги?ата потребна за да се одржи движе?ето на дискот, покра? оваа реактивна сила, е точно еднаква на енерги?ата добиена (плус изгубената енерги?а поради трие?е, ?уловите закони, и други потрошувачи). Овие по?ави се чести за сите генератори кои ?а претвораат механичката енерги?а во електрична енерги?а.

Електричен трансформатор

Главна стати?а: трансформатор

Кога електричната стру?а во рамката на жицата се менува, променливата стру?а создава магнетно поле. Втора жица ко?а е на дофат на ова магнетно поле ?е ?а почувствува оваа промена на магнетното поле, како промена на заедничкиот магнетен тек, d Φ_B / d t. Па така, електромоторната сила добиена во втората рамка се нарекува индуцирана ЕМС или трансформаторска ЕМС. Ако двата краеви од оваа рамка се поврзани со потрошувач, ?е протече стру?а.

Магнетен текометар

Главна стати?а: Магнетен текометар

Фарадеевиот закон се користи за мере?е на текот на електропроводните течности и кашести маси. Овие инструменти се наречени магнетни текометри. Индуцираниот напон ? во магнетното поле B под де?ство на проводната течност ко?а се движи со брзина v се определува со:

${\mathcal {E}}=-B\ell v,$

каде ? е расто?анието ме?у електродите на магнетниот текометар.

Вртложни струи

Главна стати?а: Вртложни струи

Проводници (со конечни димензии) движе??и се низ посто?ано магнетно поле, или пак истите се неподвижни низ променливо магнетно поле, ?е создадат електрични струи во нивната внатрешност. Овие индуцирани вртложни струи се непосакувани, биде??и создаваат топлина преку отпорот на проводникот. Посто?ат бро?ни методи кои се употребуваат за да се спречат овие непосакувани индуктивни ефекти.

• Електромагнетите во електричните мотори, генератори и трансформатори не користат цели парчи?а на метали, туку се користат тенки листови на метални плочи, наречени ламинати. Овие тенки плочи ги намалуваат вртложните струи на начин опишан подолу.
• Индуктивните намотки во електрониката вообичаено користат магнетни ?адра за да се намалат кра?но непосакуваните вртложни струи. Тие се мешавина од метален прав и смола ко?а се користи за одржува?е на обликот. Смолата го попречува создава?ето на вртложни струи низ металот во прав.

Електромагнетни тенки метални листови

Вртложните струи настануваат кога цврста метална маса се врти во магнетно поле, биде??и надворешниот дел пресекува пове?е силови линии отколку внатрешниот дел, па оттука создадената електромоторна сила не е посто?ана, па настанува поврзува?е на точките со на?висок и на?мал потенци?ал. Вртложните струи трошат голем дел од енерги?ата и честопати предизвикуваат несакани порасти на температурата.

На ово? пример се прикажани само пет реда на тенки метални плочи, како и приказот на поделбата на вртложните струи. Во практиката, бро?от на тенките метални плочи се движи од 40 до 66 на инч со што загубата од вртложните струи се сведува на само еден процент. Иако плочите можат ме?у нив да имаат изолатор, напонот е толку мал што природната р?а или оксид на плочите е доволен да го спречи протокот на стру?а низ металните плочи.

На сликата се забележува ротор со пречник од 20mm од еднонасочен мотор ко? се користи ка? CD-плеерите. Може да се забележат металните плочи на електромагнетните полови со кои се ограничуваат индуктивните загуби.

Несакана индукци?а во самите индуктори

На ово? цртеж, исполнета бакарна прачка индуктор поставена на вртежна арматура минува под врвот на полот N на полето на магнетот. Се забележува нееднаквата распределба на силовите линии низ прачкестиот индуктор. Магнетното поле се сконцентрирано и со тоа по?ако на левиот раб од бакарната прачка (a,b) додека пак полето е послабо на десниот раб (c,d). Биде??и и двата кра?а на прачката се движат со иста брзина, оваа разлика на ?ачината на полето низ прачката создава вртложни струи во самата бакарна прачка.

Направите со голема потрошувачка како што се електричните мотори, генератори и трансформатори користат голем бро? на мали проводници кои се сврзани паралелно за да се избегнат вртложните струи кои би се создале во големите проводници. Истото начело е применето ка? трансформаторите со поголема мо?ност од честота, на пример, оние кои се користат прекинувачки извори на напо?ува?е и ме?учестотата на радиоприемниците.

Поврзано

• Вртложни струи
• Индуктивност
• Максвелови равенки
• Проблем на подвижен магнет и проводник
• Алтернатор
• Фарадеев парадокс
• Векторска анализа

Надворешни врски

• A simple interactive Java tutorial on electromagnetic induction Архивирано на 25 ?ули 2008 г. National High Magnetic Field Laboratory
• R. Vega Induction: Faraday's law and Lenz's law - Highly animated lecture Архивирано на 30 ма? 2008 г.
• Notes from Physics and Astronomy HyperPhysics at Georgia State University
• Faraday's Law for EMC Engineers Архивирано на 1 ?ануари 2013 г.
• Tankersley and Mosca: Introducing Faraday's law Архивирано на 17 ?уни 2012 г.
• Lenz's Law at work.
• A free java simulation on motional EMF
• Two videos demonstrating Faraday's and Lenz's laws at EduMation Архивирано на 30 август 2009 г.