background image

 

 

INDUKCJA 

ELEKTROMAGNETYCZNA; 

PRAWO FARADAYA 

1. Ruch ramki w polu magnetycznym: siła magnetyczna wytwarza 
SEM

2. Ruch magnesu względem ramki : powstanie wirowego pola 
elektrycznego

3. Prawo Faradaya

4. Reguła Lentza

5. Indukcyjność

6. Energia pola magnetycznego

7. Obwody prądu zmiennego

8. Moc w obwodzie prądu zmiennego

background image

 

 

Przepływ prądu

Pole 
magnetyczne

Elektryczność i magnetyzm nie są niezależnymi zjawiskami, lecz jakby dwiema 
stronami tego samego zjawiska: elektromagnetyzmu. Zjawiska elektryczne i 
magnetyczne są współzależne. Czasem zjawiska elektryczne powodują zjawiska 
magnetyczne: 

*gdy płynął prąd, powstawało pole magnetyczne.

 A czasem jest odwrotnie:

*gdy zmienia się pole magnetyczne, to powstaje prąd

Pole 
magnetyczne

Przepływ prądu

faraday

SYMETRIA ZJAWISK ELEKTRO-MAGNETYCZNYCH

background image

 

 

RAMKA W POLU MAGNETYCZNYM 

Na elektrony przewodnictwa 
działa siła magnetyczna F

B

=e

B

Elektrony grupują się na 
dole, dodatni ładunek na 
górze ramki

Powstaje pole elektryczne 
przeciwdziałające dalszemu 
ruchowi

Napięcie U jest przejawem 
tego pola

RUCH RAMKI

•Siła magnetyczna wytwarza SEM
•SEM w ramce jest równa szybkości zmian 
strumienia pola magnetycznego

dt

d

B

elektrony 

przewodnictwa

siła magnetyczna 

F

B

=eB

ruchoma pętla

V

B

Woltomierz 

wskazuje 

napięcie

h

background image

 

 

RAMKA W POLU MAGNETYCZNYM: INNE 

SPOJRZENIE 

ruch ramki, 

magnes stoi

siła 

magnetycz

na na 

elektrony

Jeśli źródło pola B się porusza, to powstaje pole elektryczne E=V X B

 

B

V

E

B

V

e

F

E=0

V=0

E

e

F

Skutek musi być taki sam: ponieważ 

woltomierz wskazuje tą samą SEM=d

B

/dt, 

dlatego siła działająca na elektrony musi 

być taka sama

B

V

q

E

q

F

RUCH MAGNESU

•Powstaje pole elektryczne, które wytwarza SEM

•SEM w ramce jest równa szybkości zmian strumienia pola magnetycznego

dt

d

B

V

ruch magnesu, ramka stoi

brak siły 

magn. na 
elektrony

background image

 

 

RAMKA W POLU MAGNETYCZNYM 

V

Ruch ramki

dt

d

B

Siła F

B

 wytwarza SEM

V

Ruch magnesu

Siła F

E

 wytwarza SEM

dt

d

B

Pole B zmienia się identycznie

Czy powstaje  SEM ?

farad1

farad2

farad3

background image

 

 

V

Ruch ramki

dt

d

B

V

Ruch magnesu

Pole B zmienia się identycznie

Siła F

B

 wytwarza SEM

Siła F

E

 wytwarza SEM

dt

d

B

Czy powstaje  SEM ?

RAMKA W POLU MAGNETYCZNYM 

background image

 

 

V

Ruch ramki

dt

d

B

V

Ruch magnesu

Pole B zmienia się identycznie

Siła F

B

 wytwarza SEM

Siła F

E

 wytwarza SEM

dt

d

B

Siła F

E

 wytwarza SEM

dt

d

B

RAMKA W POLU MAGNETYCZNYM 

background image

 

 

PRAWO FARADAYA 

farad1

farad2

Wszystkie eksperymenty pokazały, że zmiana 
strumienia magnetycznego przechodzącego przez 
pętlę z przewodnika powoduje powstanie w tym 
przewodniku siły elektromotorycznej, co może się 
wiązać z przepływem prądu

dt

d

B

background image

 

 

KIERUNEK PRĄDU INDUKCYJNEGO:REGUŁA 

LENTZA 

reg Lentza

REGUŁA LENZA 

kierunek prądu indukcyjnego jest taki, że pole magnetyczne wywołane przez 

niego przeciwdziała zmianie zewnętrznego strumienia magnetycznego)

background image

 

 

WIROWE POLE ELEKTRYCZNE 

Ei B

to nie jest pole elektrostatyczne

dt

d

l

d

E

B

pole E od nieruchomych ładunków

pole E od zmiennego B

0

l

d

E

Jeśli strumień magnetyczny przez dowolną powierzchnię rozpiętą na dowolnym

 konturze zamkniętym zmienia się, to powstaje pole elektryczne E takie, że 

dt

d

l

d

E

B

background image

 

 

PRAWO FARADAYA: ZASTOSOWANIE 

GENERATOR PRĄDU AC

Obr
ót

Transform
atory

U

pierwotne

U

wtorne

TRANSFORMATOR

N

1

 zwojów

N

2

 

zwojów

B

 przechodzi przez 

cewkę

cos

BA

A

B

B

cewka rotuje ze stałą 

t

cos

BA

B

t

sin

BA

dt

d

B

dt

d

B

zmienny 

B

 

wywołuje zmienną 

SEM

t

sin

BA

1

2

1

2

N

N

U

U

t

d

d

N

U

U

B

1

1

pierw

prąd AC w cewce 

pierwotnej

zmienne pole B i zmienny 

strumień 

B

 

t

d

d

N

U

B

2

2

zmienne napięcie U

2

 w  

cewce  wtórnej

farad3

background image

 

 

INDUKCYJNOŚĆ OBWODU

Prąd płynący przez obwód ( cewkę) wytwarza pole 
magnetyczne

Jeśli prąd się zmienia, to zmienia się strumień 
pola magnetycznego w cewce 

dt

d

B

Indukuje się w cewce siła 
elektromotoryczna

L : współczynnik samoindukcji (indukcyjność). L zależy od 
wielkości opisujących geometrię cewki (liczba zwojów, pole 
powierzchni zwoju, kształt cewki) oraz od obecności 
ferromagnetycznego rdzenia w cewce. 

dt

dI

L

Ale strumień zależy od prądu, czyli 

B

I, czyli 

B

=LI. 

dt

dI

L

dt

d

B

wymiar L: [L]=H 
(Henr)=Vs/A

B

J

background image

 

 

OBLICZANIE INDUKCYJNOŚCI: PRZYKŁAD

Obliczyć indukcyjność solenoidu o n zwojach na jednostkę długości

dt

dI

nS

dt

d

0

B

W każdym zwoju cewki indukuje się siła 
elektromotoryczna

 B = 

0

In 

B

=BS=S

0

In 

SEM od wszystkich N zwojów

dt

dI

L

dt

dI

N

nS

dt

d

N

0

B

N liczba zwojów cewki
n liczba zwojów na jednostkę długości

L=S

0

nN 

background image

 

 

ROZŁADOWANIE KONDENSATORA PRZEZ CEWKĘ

CL

OBWÓD LC

Na początku cała energia w polu elektrycznym 
kondensatora

prąd=0

2

0

C

CU

2

1

W 

L

+q

0

-q

0

C

U

0

Płynie prąd: 

C

q

U 

dt

dI

L

U

L

U=U

L

 

dt

dI

L

C

q

2

2

dt

q

d

L

C

q

q

C

1

dt

q

d

L

2

2

),

t

cos(

q

q

0

LC

1

)

t

cos(

U

)

t

cos(

C

q

U

0

0

)

t

sin(

q

dt

dq

I

0

Prąd zmienny płynie zawsze; 
gdzie jest przechowana energia?

U=U

0

 cos(t)

t

I=I

0

 sin(t)

L

L

+q

+q

-q

-q

C

C

U

U

U

U

L

L

background image

 

 

ENERGIA POLA MAGNETYCZNEGO

2

0

C

CU

2

1

W 

prąd=0
q=max

L

+q

-q

C

U

U

L

L

-q

+q

C

U

U

L

prąd=0
q=max

2

0

C

CU

2

1

W 

L

0

0

C

U

L

prąd=max
q=0E

C

=0

2

0

M

LI

2

1

W 

Utworzenie pola B w cewce wymaga pracy; można uważać, że energia pola B 
zawarta w cewce o indukcyjności L i prądzie I

0

 wynosi

2
0

L

LI

2

1

W 

Ładunek dq „przepchany” jest przez cewkę przeciwko 
polu E: cewka zyskuje energię

LIdI

dt

dq

LdI

dt

dq

dI

L

dq

dt

dI

L

dW

L

dq

E

2
0

I

0

L

LI

2

1

LIdI

W

0

background image

 

 

ENERGIA POLA MAGNETYCZNEGO (2)

0

2

2
0

0

2
0

L

Sd

B

2

1

I

d

N

N

S

2

1

LI

2

1

W

L=S

0

nN 

cewka (solenoid) o N zwojach i dł. 
L
gęstość zwojów n=N/L

d

B=

0

nI 

0

2

0

2

L

L

B

B

2

1

Sd

B

2

1

Sd

1

V

W

w

w

Utworzenie pola B wymaga pracy; jeśli w przestrzeni jest pole 
magnetyczne o indukcji B, to gęstość energii magnetycznej wynosi

0

2

B

B

2

1

w

background image

 

 

OBWODY PRĄDU ZMIENNEGO

Codziennie mamy do czynienia z prądem zmiennym i obwodami prądu 
zmiennego. Czy takie obwody zachowują się inaczej niż obwody prądu stałego? 

RL

OBWÓD Z SIŁĄ ELEKTROMOTORYCZNĄ I INDUKCYJNOŚCIĄ

L

= 

0

sin(t)

)

90

t

sin(

L

)

t

cos(

L

dt

)

t

sin(

L

1

I

dt

)

t

sin(

L

1

dI

)

t

sin(

L

1

dt

dI

dt

dI

L

ale

0

)

t

sin(

0

0

0

0

0

L

L

0

opór 
indukcyjny

)

90

t

sin(

X

I

L

0

L

X

,

X

I

L

L

0

0

=

0

 sin(t+90)

t

I=I

0

 sin(t)

napięcie na L wyprzedza prąd o 90

0

2

2

0

0

C

1

L

R

Z

I

Podobnie jak w  obwodzie prądu stałego stosunek maksymalnego prądu do 
napięcia źródła jest stały, lecz zależny zarówno od oporu jak i wartości L i C  

background image

 

 

OBWODY PRĄDU ZMIENNEGO

OBWÓD Z SIŁĄ ELEKTROMOTORYCZNĄ I POJEMNOŚCIĄ

C

= 

0

sin(t)

U

C

0

U

)

t

sin(

C

0

)

90

t

(

sin

X

)

90

t

(

sin

C

1

)

t

(

cos

C

I

C

0

0

0

II prawo Kirchoffa

po 
zróżniczkowaniu

U

C

=Q/C, I=dQ/dt

opór 
pojemnościowy

C

1

X

,

X

I

C

C

0

0

I=I

0

 sin(t+90)

t

=

0

 sin(t)

napięcie na C jest opóźnione 
względem prądu o 90

0

background image

 

 

OBWODY PRĄDU ZMIENNEGO

OBWÓD RLC: najbardziej ogólny przypadek

L

C

R

RLC

Zmienna SEM =  

0

sin(t) wymusza w obwodzie 

prąd

)

t

sin(

Z

)

t

sin(

I

I

0

0

2

2

0

0

C

1

L

R

Z

I

Dla danych L i C prąd jest maksymalny jeśli

LC

1

0

OBWÓD REZONANSOWY  

=  

0

sin(t)

  

I

0

  

0

  

napięcie na 
wejściu anteny z 
fali 
elektromagnetycz
nej

napięcie na 
wyjściu

R

C

background image

 

 

OBWÓD REZONANSOWY

W układzie rezonansowym odbiornika R = 20,  

L = 1.26 H, a C=0.567pF, co oznacza, że układ jest w 

rezonansie dla  

Stacja telewizyjna nadaje sygnał, który przy antenie 
wynosi 100 V (= sygnał wejściowy)

MHz

188

LC

2

1

2

f

0

0

100 V, 

188MHz

napięcie na 
wyjściu

R= 20


=0.567pF

a) Jakie jest natężenie prądu zmiennego w obwodzie i 
jakie zmienne napięcie na kondensatorze?

L=1.26

H

A

5

R

C

1

L

R

Z

I

0

2

2

0

0

0

  

U

C

 

 

0

  

mV

46

.

7

C

L

I

C

1

I

X

I

U

0

0

0

C

0

C

7.46 mV 

b) Jeśli kanał 9 jest nadawany na częstości rezonansowej, a kanał 10 
188+6MHz, to jaki sygnał na kondensatorze otrzymamy z kanału 10?

mV

54

.

1

C

1

C

1

L

R

X

I

U

2

2

0

C

0

1.54 mV 

background image

 

 

MOC W OBWODZIE PRĄDU ZMIENNEGO

           źródłem strat mocy jest wyłącznie opornik R (w 
           kondensatorze i cewce indukcyjnej nie ma strat 

           mocy!).

2

0

0

0

0

0

RI

2

1

Z

R

I

2

1

)

cos(

I

2

1

P

natężenie skuteczne I

sk

 = I

0

 /2. napięcie skuteczne U

sk

=U

0

/2. Wtedy:

Wszystkie mierniki napięcia i natężenia zmiennego podają wartości skuteczne.

sk

2
0

RI

RI

2

1

P

L

=  

0

sin(t+)

C

R

Moc chwilowa:

 P(t)= *I

P(t)= 

0

 I

0

sin(t+) sin(t)

= 

0

 I

0

( cos()sin(t)+ sin()cos(t)) sin(t).

moc średnia wydzielona w czasie jednego 
okresu:

T

0

0

0

T

0

0

0

T

0

dt

)

t

sin(

)

sin

)

t

cos(

cos

)

t

(sin(

I

dt

)

t

sin(

)

t

sin(

I

Idt

T

1

P

2

T

dt

)

t

(

sin

T

0

2

Z

R

cos 

,

cos

I

2

1

dt

)

t

sin(

)

t

cos(

sin

dt

)

t

(

sin

cos

I

P

0

0

T

0

T

0

2

0

0


Document Outline