Закон электромагнитной индукции Фарадея.

Закон Ома для участка цепи.

Для любого участка цепи существует закон, отражающий взаимосвязь параметров электрического тока. Его формула

(2)

В числителе - напряжение между какими-либо точками цепи, а в знаменателе – сопротивление этого же участка.

Ток на участке цепи прямо пропорционален напряжению на участке и обратно пропорционален сопротивлению этого участка.

Из выражения (2) следует .

Закон Ома для всей цепи.

Важно помнить, что ток в любом сечении неразветвленной цепи имеет одну и ту же величину. Поэтому амперметр можно включать как перед потребителем, так и за ним: показания его будут одинаковы. Но если цепь разветвляется, то ток делится по ветвям, и токи в отдельных ветвях могут быть различны.

Там, где ветви цепи сходятся, токи ветвей снова суммируются: ток после разветвления оказывается равным току до разветвления.

От чего же зависит величина общего тока, который выходит из источника и возвращается в него? Величина тока зависит от двух факторов: от величины э.д.с. источника (прямо пропорционально) и от общего сопротивления цепи (обратно пропорционально). Эта зависимость выражается формулой

(3)

Общее сопротивление цепи представлено в знаменателе этой формулы как сумма двух сопротивлений: внешней (R) и внутренней цепей (r).

Ток в общей цепи прямо пропорционален э.д.с. источника и обратно пропорционален сумме сопротивлений внешней цепи и внутреннего сопротивления источника.

Допустим, что источник тока – автомобильная аккумуляторная батарея. Ее э.д.с. вполне определенная: . Внутреннее сопротивление конкретной батареи – тоже величина конкретная (например, r = 0,01 Ом). Но ток от такой батареи, как следует из формулы (3), может быть самой различной величины, поскольку он зависит еще и от R – сопротивления потребителя тока и проводов к нему. Так, например при включении зажигания (R_кз = 4…6 Ом) стрелка автомобильного амперметра отклонится на 2…3 А (при замкнутых контактах прерывателя), а если включить дальний свет фар – на 8…12 А; если же включить стартер (R_ст » 0,02 Ом), то ток батареи будет измеряться сотнями ампер - 300…500 А.

Предельно большой величины ток достигает при отсутствии сопротивления во внешней цепи, при т.н. коротком замыкании. Ток короткого замыкания согласно формулы (3) будет равен:

(4)

т.е. ток в данном случае ограничивается только внутренним сопротивлением источника. Если в эту формулу подставить данные значения Е и r автомобильной аккумуляторной батареи, то получим:

Если на практике осуществить короткое замыкание в цепи АБ – она выйдет из строя. Однако, получение больших токов от автомобильной свинцово-кислотной аккумуляторной батареи возможно потому, что внутреннее сопротивление батареи очень мало. Большой ток (в сотни ампер) нужен для работы стартера. Поэтому такие батареи называют стартерными. Э.д.с. в 12 В можно было бы получить и от батареек карманных фонариков. Достаточно лишь соединить последовательно соответствующее число батареек. Однако ток от такой батареи даже при коротком замыкании не превысит 3…4 А, потому что внутреннее сопротивление этих батареек велико.

Первый закон Кирхгофа. Алгебраическая сумма всех токов, сходящихся в любом узле электрической цепи, равна нулю.

(5)

Второй закон Кирхгофа. Алгебраическая сумма электродвижущих сил какого-либо замкнутого контура электрической цепи равна алгебраической сумме падений напряжений в нем.

. (6)

Законы (правила) Кирхгофа непосредственно вытекают из универсального закона сохранения энергии.

Закон электромагнитной индукции Фарадея.

Электродвижущая сила е, наводимая в проводнике или контуре, пропорциональна скорости изменения магнитного потока Ф, пронизывающего этот проводник или контур, взятой с обратным знаком (минус):

(7)

Явление электромагнитной индукции (от латинского слова «inductio» – наведение) было открыто английским физиком М.Фарадеем в 1831 г. Это открытие окончательно установило связь между электрическими и магнитными явлениями.

Закон Ленца. Если по произвольному контуру протекает изменяющийся ток, то он создает собственный изменяющийся магнитный поток, наводящий в контуре противо-ЭДС, направленную так, чтобы воспрепятствовать всякому изменению тока.

Русский ученый Э.Х. Ленц в 1833 г, исследуя явление электромагнитной индукции, сформулировал закон, определяющий направление индуктированного тока и выражающий принцип электромагнитной инерции. На основании этого закона Э.Х. Ленц сформулировал принцип обратимости электрических машин, имеющий большое значение для электротехники.

Обобщив все имевшиеся достижения в области электромагнетизма, английский ученый Д.К. Максвел в 1873 г. в «Трактате об электричестве и магнетизме» изложил основы созданной им теории электромагнитного поля. В одном из уравнений теории поля Д.К. Максвел предложил обобщенную форму закона электромагнитной индукции, распространив этот закон на любой замкнутый контур.

Закон Джоуля-Ленца(тепловое действие тока). При наличии электрического тока в проводнике последний нагревается и энергия электрического поля переходит в тепловую в соответствии с законом сохранения и превращения энергии. Согласно этому закону количество электрической (электромагнитной) энергии, преобразованной в тепловую энергию, и количество тепловой энергии, полученной в результате преобразования, равны между собой

. (8)

Единицей измерения тепловой энергии, как и электрической является джоуль.

Запишем электрическую энергию через электрическую мощность Р и время t: и через равную энергии работу А: .

Так как и , то . По закону Ома

(9)

На основании этих зависимостей получим различные выражения для энергии

(10)

где P - мощность, Вт;

t - время, с;

U - напряжение, В;

I - ток, А;

R - сопротивление, Ом;

G - проводимость, см.

Приведенные зависимости представляют собой закон Джоуля-Ленца, который математически может быть выражен любой из формул (10).

Преобразование электрической энергии в тепловую необходимо для различных электронагревательных и осветительных приборов, электросварки. Но во многих случаях тепловое действие тока является нежелательным и с ним необходимо считаться при эксплуатации электротехнических устройств.

Закон электромагнитных сил Ампера. Сила механического взаимодействия проводника с током I и магнитного поля с индукцией В (рис. 1) прямо пропорциональна магнитной индукции, длине проводника l и силе тока в проводнике.

Рис. 1

,

где F - сила взаимодействия; B -магнитная индукция; l - длина проводника;

I - ток в проводнике; a - угол между векторами магнитной индукции и тока.