При протекании тока по сопротивлению в нем выделяется тепло

Резистор происходит от английского «resistor» и от латинского «resisto», что в переводе на русский язык звучит как «сопротивляюсь». В русскоязычной литературе наравне со словом «резистор» используют слово «сопротивление». Из названия ясна основная задача этого элемента – оказывать сопротивление электрическому току.

Он относится к группе пассивных элементов, потому что в результате его работы ток может только понижаться, то есть в отличие от активных элементов – пассивные сами по себе не могут усиливать сигнал. Что из второго закона Кирхгофа и закона Ома значит, что при протекании тока на резисторе падает напряжение, величина которого равна величине протекающего тока, умноженного на величину сопротивления. Ниже вы видите, как обозначается сопротивление на схеме:

Условное обозначение на схеме легко запомнить – это прямоугольник, по ГОСТ 2.728-74 его размеры равны 4х10 мм. Существуют варианты обозначений для резисторов разной мощности рассеивания.

Классификация резисторов происходит по ряду критериев. Если говорить о дискретных компонентах, то по методу монтажа их делят на:

• Выводные. Используются для монтажа сквозь печатную плату. У таких элементов есть выводы, расположенные радиально или аксиально. В народе выводы называют ножками. Этот вид резисторов активно использовался во всех старых устройствах (20 и боле лет назад) – старых телевизорах, приёмниках, в общем везде, и сейчас используется в простых устройствах, а также там, где использование SMD компонентов по какой-то причине затруднено либо невозможно.
• SMD. Это элементы, у которых нет ножек. Выводы для подключения расположены на поверхности корпуса, незначительно выступая над ней. Они монтируются непосредственно на поверхность печатной платы. Преимуществом таких резисторов является простота и дешевизна сборки на автоматизированных линиях, экономия места на печатной плате.

Внешний вид элементов двух типов вы видите на рисунке ниже:

Мы уже знаем, как выглядит этот компонент, теперь следует узнать о классификации по технологии изготовления. Выводные резисторы бывают:

• Проволочными. В качестве резистивного компонента используют проволоку, намотанную на сердечнике, для снижения паразитной индуктивности используют бифилярную намотку. Проволоку выбирают из металла с низким температурным коэффициентом сопротивления и низким удельным сопротивлением.
• Металлопленочные и композитные. Как можно догадаться, здесь в качестве резистивного элемента используют пленки из металлического сплава.

Так как резистор состоит из резистивного материала, в роли последнего может выступать проволока или плёнка с высоким удельным сопротивлением. Что это такое? Такие материалы как:

• манганин;
• константан;
• нихром;
• никелин;
• металлодиэлектрики;
• оксиды металлов;
• углерод и прочие.

SMD или чип-резисторы бывают тонкопленочными и толстопленочными, в качестве резистивного материала используют:

На рисунке ниже изображено, из чего состоит резистор:

По конструкции различают:

• Постоянные. У них два вывода, а сопротивление вы изменять не можете – оно постоянно.
• Переменные. Это потенциометры и подстроечные резисторы, принцип действия которых основан на перемещении скользящего контакта (бегунка) по резистивному слою.
• Нелинейные. Сопротивление компонентов этого типа изменяется под воздействием температуры (терморезисторы), светового излучения (фоторезисторы), напряжения (варисторы) и других величин.

А также по назначению – общего и специального. Последние подразделяются на:

• Высокоомные (диапазон сопротивлений десятки МОм — единицы ТОм, при рабочих напряжениях до 400В).
• Высоковольтные (рассчитаны на работу в цепях с напряжением до десятков кВ).
• Высокочастотные (особенностью работы на высокой частоте является требование к низким собственным индуктивностям и ёмкостям. Такие изделия могут работать в цепях с частотой сигнала в сотни МГц).
• Прецизионные и сверхпрецизионные (это изделия с высоким классом точности. У них допуск по отклонению от номинального сопротивления 0,001 — 1 %, в то время как у обычных допуск может быть и 5% и 10% и больше).

Системы электрообогрева на основе индукционно-резистивного греющего кабеля (СКИН — системы)

Назначение:

Индукционно-резистивная система обогрева (СКИН-система) предназначена для защиты от замерзания, поддержания температуры и разогрева протяженных трубопроводов от 3-5 км и длиннее, оснований резервуаров и платформ.

Нагревательный элемент СКИН системы представляет собой конструцию, состоящую из следующих элементов:

• Стальной цельнотянутой трубки или индукционно-резистивный нагревателя (ИРН). ИРН изготавливается из особой углеродистой стали с заданными ферромагнитными параметрами наружным диаметром от 16-60мм и толщиной стенки 2,5-4 мм. ИРН крепится к наружной стенке обогреваемого объекта.

• СКИН-проводника или индукционно-резистивного проводника (ИРП). ИРП состоит из медной многопроволочной жилы и изоляционной оболочки. Наружная изоляционная оболочка проводника выполнена из термостойкого пластиката или фторполимера. Напряжение питания СКИН проводника составляет от 2 до 5кВ(50-60Гц), а максимальная рабочая температура от -60С до 260С. ИРП прокладывается внутри ИРН.

Нагревательный элемент СКИН-системы способен выделять мощность обогрева до 100Вт/м. Конструкция СКИН-проводника условно показана на рис.1

Принцип работы:

Тепловыделение от нагревательного элемента СКИН-системы происходит благодаря наличию так называемого СКИН-эффекта. СКИН-нагреватель (ИРН) монтируется так, чтобы обеспечить надежный тепловой контакт с объектом обогрева. СКИН-проводник (ИРП) помещается в ферромагнитный стальной СКИН-нагреватель. На дальнем конце СКИН-проводник накоротко соединяется со СКИН-нагревателем. На обоих концах СКИН-нагреватель заземляется. На ближнем конце между СКИН-проводником и СКИН-нагревателем прикладывается питающее напряжение промышленной частоты (50-60Гц).

Питающее напряжение прикладывается таким образом, что по ИРП ток течет в одном направлении, а по ИРН возвращается. При этих условиях сопротивление ИРП практически не отличается от сопротивления на постоянном токе. Иные процессы происходят в ИРН. Так как относительная магнитная проницаемость стали равна 800-1000, за счет взаимного влияния протекающих токов происходит вытеснение тока к внутренней поверхности ИРН. За счет магнитных свойств ИРН в нем имеет место быть хорошо выраженный поверхностный эффект (СКИН-эффект), т.е. ток протекает не по всей толще стенки ИРН, а в тонком поверхностном слое толщиной около 1 мм у внутренней поверхности ИРН. Поверхностный эффект приводит к тому, что сопротивление ИРН на переменном токе заметно больше, чем на постоянном. При протекании тока происходит выделение тепла в ИРП и в ИРН. Это тепло вместе с теплом от внутреннего проводника передается обогреваемому объекту. При правильном конструировании системы 60-80% тепла выделяется в ИРН и только 20-40% в ИРП. В результате тепловой режим работы ИРП, проходящего внутри ИРН, не вызывает его существенного перегрева, что служит фундаментом высокой надежности системы.

Важным свойством СКИН-системы является ее электрическая безопасность. Ток протекает по внутренней поверхности ИРН, а на внешней ее поверхности ток практически отсутствует, и нет электрических потенциалов. Электрически система строится так, чтобы обеспечить непрерывность, как ИРП, так и ИРН, представляющего собой обратный проводник. ИРН, как было указано выше, надежно заземляется.

Крепление нагревательного элемента к объекту обогрева производится металлическими хомутами при помощи специального инструмента или точечной сваркой. Поверх нагревательного элемента монтируется слой теплоизоляции с защитным покрытием.

Принцип работы системы на примере обогрева участка трубопровода показан на рис.2-4.

Преимущества СКИН-систем:

• Экономичность. Экономия капитальных затрат на покупку оборудования и материалов системы обогрева при создании систем обогрева протяженностью 3-5 км и более по сравнению с затратами на внедрение саморегулирующихся систем и Long Pipe систем за счет возможности питания системы обогрева с одного конца.
• Возможность обогрева протяженного трубопровода. Высокое напряжение питания (до 5кВ) в сочетании с малым сопротивлением системы на метр длины позволяет питать от одного источника плечи обогрева длиной до 20 км.
• Электробезопасность. Наружная поверхность обогреваемого элемента заземлена и имеет нулевой потенциал, что гарантирует электробезопасность СКИН-системы.
• Хороший тепловой контакт. Металлический нагревательный элемент приваривается или крепится непосредственно к трубопроводу.
• Простота монтажа. Основной тепловыделяющий элемент (ИРН) не имеет наружной электрической изоляции, которую можно повредить при монтаже.
• Надежность. Стальной ИРН обеспечивает механическую прочность и защиту ИРП от повреждений, что особенно важно для трубопроводов, проложенных под землей или под водой. Подходящие для применения при высокой температуре до 200 °C материалы для использования в процессе поддержания температуры. Рабочий диапазон температур СКИН-проводника от -60°C до +260°C. Диапазон температур окружающей среды при эксплуатации систем от -55°C до +70°C.
• Ремонтопригодность. Наличие достаточного количества протяжных коробок упрощает доступ к СКИН-проводнику без повреждения теплоизоляции.

Состав системы:

СКИН-система обогрева состоит из двух подсистем:

1. Подсистема электрообогрева.

2. Подсистема питания и управления.

Подсистемы электрообогрева, питания и управления условно показаны на рис. 5-6.

Специалисты ООО «Пром-А Урал» всегда готовы проконсультировать Вас по вопросам применения СКИН-систем электрообогрева, а также оказать услуги по расчету, проектированию и внедрению систем электрообогрева на базе оборудования представленных заводов-изготовителей.

Почему медь и алюминий напрямую лучше не соединять

Есть материалы, которые считаются электрохимическими несовместимыми — именно такова пара «медь-алюминий». Решив по-быстрому скрутить два провода из этих металлов, можно получить плачевный результат. Хотя на первый взгляд всё должно быть с точностью да наоборот — ведь электрические свойства меди и алюминия позволяют считать их лучшими из проводников, наряду с золотом и серебром. Так почему бы не соединить их?

Есть один нюанс — быстрое и весьма существенное окисление алюминиевых проводов. Медь окисляется намного меньше, пленка окиси на поверхности медного провода существенного влияния на проводимость не оказывает. Однако с алюминием все не так — окисная пленка алюминиевого провода имеет высокое переходное контактное сопротивление.

Соединение меди и алюминия образует гальваническую пару, происходит взаимное отторжение контактных поверхностей с выделением тепла и обгоранием изоляции.

Но бывают ситуации, когда соединить медный и алюминиевый провод очень нужно. Есть несколько относительно безопасных вариантов:

• использование клеммников типа «Wago»
• если на улице — возьмем ответвительные зажимы для СИП или сжимы «орешки»
• когда под рукой нет никаких специальных приспособлений, выручит обычный болт с гайкой и шайбой (ее мы проложим между медью и алюминием, исключив прямой их контакт).

Обобщенный закон Ома

Обсудим сначала физический смысл закона Ома, относящегося к участку цепи, содержащему только идеальный резистор. Закон Ома утверждает, что для поддержания тока на участке к нему надо приложить постоянное напряжение, причем сила тока и напряжение пропорциональны друг другу: U = IR. Но это означает, что для поддержания направленного движения свободных зарядов на них должна действовать постоянная сила со стороны электрического поля (

vec E). В случае участка цепи без источников это поле является электростатическим[

vec E = vec E_] , оно создается самими зарядами проводника. (В процессе установления тока заряды вдоль всей цепи за очень короткое время перераспределяются таким образом, чтобы создать нужное поле.) Переформулируем закон Ома следующим образом: если ток на участке цепи поддерживается полем (

vec E), то сила тока пропорциональна работе этого поля по переносу единичного заряда с одного конца участка на другой. Напомним, что в случае электростатического поля эта работа равна разности потенциалов.

Обозначим один конец участка цифрой 1, а другой цифрой 2 и запишем закон Ома в виде

где U₁₂ = φ₁ — φ₂, I₁₂ = +I, если ток течет от 1 к 2, и I₁₂ = —I для тока, текущего навстречу движению, т.е. от 2 к 1. Такая форма записи, позволяющая передвигаться по участку цепи в любом направлении, очень удобна.

Теперь предположим, что на этом же участке цепи действуют сторонние силы. Вспомним, что численной характеристикой сторонних сил является ЭДС (электродвижущая сила), которая определяется как работа сторонних сил по переносу единичного заряда с одного конца участка цепи на другой. Определим величину ε₁₂ как работу сторонних сил по переносу единичного заряда от 1 к 2, т.е. ε₁₂ = +ε, если сторонние силы направлены по движению (от 1 к 2), и ε₁₂ = —ε в противоположном случае (рис.1).

Направленное движение зарядов на участке цепи теперь поддерживается как электростатическим полем (

vec E_), так и полем сторонних сил (

vec E_). Точнее, оно определяется суммарным полем (

vec E = vec E_ + vec E_), и поскольку заряды не могут «отличить» суммарное поле от чисто электростатического, то разумно предположить, что сила тока так же зависит от суммарного поля, как раньше (в отсутствие источников) она зависела от электростатического поля. А именно, сила тока пропорциональна работе суммарного поля (

vec E) по переносу единичного заряда с одного конца участка на другой. Эта работа состоит из двух частей — из работы электростатического поля, равной разности потенциалов, и из работы сторонних сил, равной, по определению, ЭДС:

I_ <12>R = varphi_1 — varphi_2 + varepsilon_<12>) , (1)

где R — сопротивление участка цепи, включая внутреннее сопротивление источника.

Еще раз сформулируем правила знаков. Если направление тока на рассматриваемом участке неизвестно, то его выбирают произвольным образом (если после расчетов получится I Рис. 2

-IR = varphi_1 — varphi_2 + varepsilon) .

Разберем теперь несколько примеров на применение обобщенного закона Ома.

Вывод закона Ома для полной цепи

Рассмотрим замкнутую неразветвленную цепь. Начнем с простейшего случая, когда в цепи имеется только один источник тока (рис.3).

Ток течет в направлении сторонних сил этого источника; пройдя контур в этом направлении, запишем обобщенный закон Ома для участка с источником и для участка с внешним сопротивлением:

begin Ir = varphi_1 — varphi_2 + varepsilon \ IR = varphi_2 — varphi_1 end) .

Складывая эти уравнения, получаем

I(r + R) = varepsilon) .

Разности потенциалов сократились, потому что работа электростатических сил по замкнутому контуру равна нулю. В случае многих источников направление тока заранее неизвестно; выбираем его произвольно и проходим контур в этом направлении. Записав соответствующие уравнения, получим

I sum R_i = sum pm varepsilon_i) .

(разности потенциалов опять сократятся, поскольку потенциал каждой точки встретится дважды, но с разными знаками). Если сила тока окажется отрицательной, то направление тока надо изменить на противоположное.

Правила Кирхгофа

Перейдем теперь к рассмотрению разветвленной цепи. В качестве конкретного примера применения общих правил будем использовать цепь на рисунке 4. Задача — найти токи на всех участках цепи.

В любом случае начинают с того, что произвольным образом выбирают направления неизвестных токов. Так как при протекании токов через любой узел на нем не должен накапливаться заряд, алгебраическая сумма входящих в этот узел токов и токов, выходящих из узла, должна быть равна нулю. (Принято входящие токи брать со знаком плюс, а выходящие — со знаком минус.) Это — первое правило Кирхгофа, или правило узлов. Его можно записать для каждого из n — 1 узлов. Для получения оставшихся уравнений поступают так: выбирают произвольный замкнутый контур и обходят его в произвольном направлении. Если записать на каждом участке обобщенный закон Ома, а потом сложить полученные уравнения, то разности потенциалов сократятся, и мы придем к уравнению

sum pm I_i R_i = sum pm varepsilon_i) ,

где правила знаков соответствуют описанным раньше. Это — второе правило Кирхгофа. Для схемы на рисунке 4 получаем такую систему уравнений:

left < beginI_1 + I_2 — I_3 = 0 \ I_1 r_1 + I_3 R = varepsilon_1 \ I_1 r_1 — I_2 r_2 = varepsilon_1 — varepsilon_2 end right.) .

(направление обхода контуров — против часовой стрелки).

Метод узловых потенциалов

Если в методе Кирхгофа неизвестными в уравнениях являются токи, то в данном методе составляются уравнения для потенциалов узлов. При этом один из потенциалов принимают равным нулю (потенциал определен с точностью до константы), так что число уравнений получается на одно меньше, чем число узлов. С помощью обобщенного закона Ома выражают каждый из проходящих узел токов, после чего записывают правило узлов — алгебраическая сумма входящих и выходящих токов равна нулю.

Для схемы на рисунке 4 примем потенциал левого узла равным нулю, а потенциал правого обозначим через φ; тогда получим одно уравнение

(сумма токов, входящих в левый узел и выходящих из него, равна нулю). Найдя потенциалы всех узлов, с помощью обобщенного закона Ома вычисляем токи (заметим, что выражения для токов нами были уже записаны при составлении уравнения).

Батарея источников тока

Несколько соединенных между собой источников, подключенных к внешней цепи, удобно заменить одним эквивалентным источником. В школьном курсе приводится ответ для параллельного и последовательного соединения одинаковых источников. Для последовательного соединения ответ легко обобщается на случай разных источников. Для случая параллельного соединения разных источников поступим следующим образом.

Запишем обобщенный закон Ома для каждого источника:

I_k R_k = varphi_1 — varphi_2 pm varepsilon_k)

(разности потенциалов на всех источниках одинаковы), разделим на r_k сложим все уравнения:

I = (varphi_1 — varphi_2) sum left( frac<1> right) + sum left( pm frac right))

(ток через батарею равен сумме токов).

Если разделить на (

sum left( frac<1> right)), то уравнение приобретает вид закона Ома для участка цепи с эквивалентным сопротивлением, вычисляемым по формуле для параллельного соединения сопротивлений:

frac 1r = sum left( frac<1> right))

и с эквивалентной ЭДС:

В случае N одинаковых источников (ε, r) получаем обычный ответ[

varepsilon = varepsilon_0 ; r = frac]. Для примера на рисунке 4 можно два источника заменить одним эквивалентным, после чего легко найти ток I₃. (Сделайте это сами и убедитесь, что ответ получается такой же, как с помощью двух других методов.)

Как найти сопротивление, напряжение

Зная формулу закона Ома для участка цепи, мы можем рассчитать напряжение и сопротивление. Напряжение находится как произведение силы тока и сопротивления.

Формула напряжения и сопротивления по закону Ома

Сопротивление можно найти, разделив напряжение на ток. Все действительно несложно. Если мы знаем, что к участку цепи было проложено определенное напряжение и знаем какой при этом был ток, мы можем рассчитать сопротивление. Для этого напряжение делим на ток. Получаем как раз величину сопротивления этого куска цепи.

С другой стороны, если мы знаем сопротивление и силу тока, которая должна быть, мы сможем рассчитать напряжение. Надо всего лишь перемножить силу тока и сопротивление. Это даст напряжение, которое необходимо подать на этот участок цепи чтобы получить требуемый ток.

Урок 36. Лекция 36. Электромагнитная индукция. Правило Ленца.

• » onclick=»window.open(this.href,’win2′,’status=no,toolbar=no,scrollbars=yes,titlebar=no,menubar=no,resizable=yes,width=640,height=480,directories=no,location=no’); return false;» rel=»nofollow»> Печать
• E-mail

Взаимная связь электрических и магнитных полей была установлена выдающимся английским физиком М. Фарадеем в 1831 г. Он открыл явление электромагнитной индукции. Оно заключается в возникновении электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменении во времени магнитного потока, пронизывающего контур.

Явление электромагнитной индукции заключается в возникновении электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего контур.

Магнитным потоком Φ через площадь S контура называют величину Ф = BScosα

где B – модуль вектора магнитной индукции, α – угол между вектором B и нормалью n к плоскости контура.

Явление электромагнитной индукции Фарадей исследовал с помощью двух изолированных друг от друга проволочных спиралей, намотанных на деревянную катушку. Одна спираль была присоединена к гальванической батарее, а другая — к гальванометру, регистрирующему слабые токи. В моменты замыкания и размыкания цепи первой спира­ли стрелка гальванометра в цепи второй спирали отклонялась.

Опыты Фарадея по исследованию ЭМИ можно разделить на две серии:

Объяснение опыта: При внесении магнита в катушку, соединенную с амперметром в цепи возникает индукционный ток. При удалении так же возникает индукционный ток, но другого направления. Видно, что индукционный ток зависит от направления движения магнита, и каким полюсом он вносится. Сила тока зависит от скорости движения магнита.

Объяснение опыта: электрический ток в катушке 2 возникает в моменты замыкания и размыкания ключа в цепи катушки 1. Видно, что направление тока зависит от того, замыкаюи или размыкают цепь катушки 1, т.е. от того, увеличивается (при замыкании цепи) или уменьшаетя (при размыкании цепи) магнитный поток. пронизывающий 1-ю катушку.

Проводя многочисленные опыты Фарадей установил, что в замкнутых проводящих контурах электрический ток возникает лишь в тех случаях, когда они находятся в переменном магнитном поле, независимо от того, каким способом достигается изменение потока индукции магнитного поля во времени.

Ток, возникающий при явлении электромагнитной индукции, называют индукционным.

Строго говоря, при движении контура в магнитном поле генерируется не определенный ток (который зависит от сопротивления), а определенная э. д. с.

Фарадей экспериментально установил, что при изменении магнитного потока в проводящем контуре возникает ЭДС индукции E инд, равная скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, взятой со знаком минус:

Эта формула выражает закон Фарадея: э. д. с. индукции равна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограни­ченную контуром.

Знак минус в формуле отражает правило Ленца.

В 1833 году Ленц опытным путем доказал утверждение, которое называется правилом Ленца: индукционный ток, возбуждаемый в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, всегда направлен так, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызывающего индукционный ток.

При возрастании магнитного потока Ф>0, а ε инд При уменьшении магнитного потока Ф инд > 0, т.е. магнитное поле индукционного тока увеличивает убывающий магнитный поток через контур.

Правило Ленца имеет глубокий физический смысл – оно выражает закон сохранения энергии: если магнитное поле через контур увеличивается, то ток в контуре направлен так, что его магнитное поле направлено против внешнего, а если внешнее магнитное поле через контур уменьшается, то ток направлен так, что его магнитное поле поддерживает это убывающее магнитное поле.

ЭДС индукции зависит от разных причин. Если вдвигать в катушку один раз сильный магнит, а в другой — слабый, то показания прибора в первом случае будут более высокими. Они будут более высокими и в том случае, когда магнит движется быстро. В каждом из проведённых в этой работе опыте направление индукционного тока определяется правилом Ленца. Порядок определения направления индукционного тока показан на рисунке.

На рисунке синим цветом обозначены силовые линии магнитного поля постоянного магнита и линии магнитного поля индукционного тока. Силовые линии магнитного поля всегда направлены от N к S – от северного полюса к южному полюсу магнита.

По правилу Ленца индукционный электрический ток в проводнике, возникающий при изменении магнитного потока, направлен таким образом, что его магнитное поле противодействует изменению магнитного потока. Поэтому в катушке направление силовых линий магнитного поля противоположно силовым линиям постоянного магнита, ведь магнит движется в сторону катушки. Направление тока находим по правилу буравчика: если буравчик (с правой нарезкой) ввинчивать так, чтобы его поступательное движение совпало с направлением линий индукции в катушке, тогда направление вращения рукоятки буравчика совпадает с направлением индукционного тока.

Поэтому ток через миллиамперметр течёт слева направо, как показано на рисунке красной стрелкой. В случае, когда магнит отодвигается от катушки, силовые линии магнитного поля индукционного тока будут совпадать по направлению с силовыми линиями постоянного магнита, и ток будет течь справа налево.

Изменение магнитного потока , пронизывающего замкнутый контур, может происходить по двум причинам.

1. Магнитный поток изменяется вследствие перемещения контура или его частей в постоянном во времени магнитном поле. Это случай, когда проводники, а вместе с ними и свободные носители заряда, движутся в магнитном поле. Возникновение ЭДС индукции объясняется действием силы Лоренца на свободные заряды в движущихся проводниках.. Электродвижущая сила в цепи — это результат действия сторонних сил, т.е. сил неэлектрического происхождения. Сила Лоренца играет в этом случае роль сторонней силы, под действием которой происходит разделение зарядов, в результате чего на концах проводника по­является разность потенциалов.

Рассмотрим в качестве примера возникновение ЭДС индукции в прямоугольном контуре, помещенном в однородное магнитное поле В, перпендикулярное плоскости контура. Пусть одна из сторон контура длиной l скользит со скоростью v по двум другим сторонам.

На свободные заряды на этом участке контура действует сила Лоренца. Составляющая силы Лоренца, действующая на свободный электрон, связанная с переносной скоростью v зарядов, направлена вдоль проводника. Эта составляющая указана на рис. 3. Это она играет роль сторонней силы. Ее модуль равен F_Л = eυB

Э. д. с. индукции в проводнике характеризует работу по перемещению единичного положительного заряда вдоль проводника.

Работа силы F_Л на пути l равна A = F_Л · l = eυBl

По определению ЭДС

В других неподвижных частях контура сторонняя сила равна нулю. Соотношению для _инд можно придать привычный вид. За времы Δt площадь контура изменяется на ΔS = lυΔt. Изменение магнитного потока за это время равно ΔΦ = BlυΔt. Следовательно,

Если сопротивление всей цепи равно R, то по ней будет протекать индукционный ток, равный

I_инд = _инд/R.

За время Δt на сопротивлении R выделится джоулево тепло

Возникает вопрос: откуда берется эта энергия, ведь сила Лоренца работы не совершает! Этот парадокс возник потому, что мы учли работу только одной составляющей силы Лоренца. При протекании индукционного тока по проводнику, находящемуся в магнитном поле, на свободные заряды действует еще одна составляющая силы Лоренца, связанная с относительной скоростью движения зарядов вдоль проводника. Эта составляющая ответственна за появление силы Ампера F_A . Для случая, изображенного на рис. 3, модуль силы Ампера равен F_A = IBl. Сила Ампера направлена навстречу движения проводника; поэтому она совершает отрицательную механическую работу. За время Δt эта работа A_мех равна

Движущийся в магнитном поле проводник, по которому протекает индукционный ток, испытывает магнитное торможение. Полная работа силы Лоренца равна нулю.

Джоулево тепло в контуре выделяется либо за счет работы внешней силы, которая поддерживает скорость проводника неизменной, либо за счет уменьшения кинетической энергии проводника.

При движении провод­ника вправо свободные электроны, содержащиеся в нем, будут двигаться также вправо, т. е. возникает конвекционный ток. Направление этого тока обратно направлению движения электронов.

На каждый движущийся электрон со стороны магнитного поля действует сила Лоренца F_л. Заряд электрона — отрицательный. Поэтому сила Лоренца направлена вниз.

Под действием этой силы электроны будут двигаться вниз, поэтому в нижней части проводника l накапли­ваются отрицательные заряды, а в верхней — положительные. Образуется разность потенциалов φ₁ — φ₂, в проводнике возникает электрическое поле напряженностью Е, которое препятствует дальнейшему перемещению электро­нов.

В момент, когда сила F_эл = еЕ, действующая на заряды со стороны этого электрического поля, станет равной по модулю силе Fл = evBsinα, действую­щей на заряды со стороны магнитного поля, т.е. при еЕ = evBsinα или Е = vBsinα , заряды перестанут перемещаться.

Напряженность электрического поля Е в движущемся проводнике длиной l и разность потенциалов φ₁ — φ₂ связаны между собой соотношением

Если такой проводник замкнуть, то по цепи пойдет ток. Таким образом, на концах проводника индуцируется э.д. с.

2. Вторая причина изменения магнитного потока, пронизывающего контур, – изменение во времени магнитного поля при неподвижном контуре . В этом случае возникновение ЭДС индукции уже нельзя объяснить действием силы Лоренца. Электроны в неподвижном проводнике могут приводиться в движение только электрическим полем. Это электрическое поле порождается изменяющимся во времени магнитным полем. Работа этого поля при перемещении единичного положительного заряда по замкнутому контуру равна ЭДС индукции в неподвижном проводнике. Следовательно, электрическое поле, порожденное изменяющимся магнитным полем, не является потенциальным. Его называют вихревым электрическим полем . Представление о вихревом электрическом поле было введено в физику великим английским физиком Дж. Максвеллом (1861 г.).

Явление электромагнитной индукции в неподвижных проводниках, возникающее при изменении окружающего магнитного поля, также описывается формулой Фарадея.

Таким образом, явления индукции в движущихся и неподвижных проводниках протекают одинаково, но физическая причина возникновения индукционного тока оказывается в этих двух случаях различной: в случае движущихся проводников ЭДС индукции обусловлена силой Лоренца; в случае неподвижных проводников ЭДС индукции является следствием действия на свободные заряды вихревого электрического поля, возникающего при изменении магнитного поля.

Явление электромагнитной индукции лежит в основе действия электриче­ских генераторов. Если равномерно вращать проволочную рамку в однородном магнитном поле, то возникает индуцированный ток, периодически изменяющий свое направление. Даже одиночная рамка, вращающаяся в однородном маг­нитном поле, представляет собой генератор переменного тока. Более сложные генераторы обычно являются улучшенными вариантами такого устройства.

Электрическая проводимость веществ

По способности проводить ток твердые вещества делятся на:

— проводники;
— изоляторы;
— полупроводники.

Газы, в том числе и воздух при обычных условиях не проводят электрический ток. Газы становятся проводниками электрического тока в том случае, если они ионизированы. Одним из видов прохождения электрического тока через газ является электрический разряд, т.е. электрическая дуга, которая используется при электродуговой сварке.