Elektromagnentna Sila

  • View
    6

  • Download
    0

Embed Size (px)

DESCRIPTION

jako dobra skripta za fiziku

Transcript

  • 1

    1. ELEKTROMAGNETNA INDUKCIJA

    Skoro svaki ureaj sadri elektrine krugove koje ih pokreu i kojima je potrebna

    elektromotorna sila koja je se koristi za struju u krugu. Izvor elektromotorne sile nije baterija,

    nego stanica koja proizvodi elektrinu energiju konvertirajui druge oblike energije.

    Kako se deava ta konverzija? Odgovor na to je elektromagnetna indukcija: Ako se magnetni

    fluks u krugu mijenja, elektromotorna sila i struja su izazvane u krugu. U stanici proizvodnje

    snage magneti se kreu relativno prema namotaju ica da bi proizveli promijenu magnetnog

    fluksa u namotajima, a i elektromotorne sile kao i ostale komponente elektrinog sistema

    ovise o magnetnom izazivanju elektromotornih sila.

    Glavni princip elektromagnetske indukcije je Faradajev zakon koji se odnosi na izazvane

    elektromotorne sile u promjenama magnetnog fluksa u svakoj petlji, ukljuujui i zatvoreni

    krug. Pored Faradajevog zakona postoji i Lorenzov zakon koji nam pomae predvidjeti

    smjerove induciranih elektromotornih sila i struje. Elektromagnetna indukcija nam govori da

    vremensko promjenjivo magnetno polje moe djelovati kao izvor elektrinog polja. Rezultati

    su formule, zvane Maksvelove jednaine koje opisuju ponaanje elektrinih i magnetskih polja

    u bilo kojoj situaciji i omoguuju nam razumjevanje elektromagnetskih valova.

    1.1.EKSPERIMENTI INDUKCIJE

    1830-tih u Engleskoj je provedeno nekoliko eksperimenata s magnetnom elektromotornom

    silom. U Engleskoj je bio fiziar Michael Faraday, a u SADu Joseph Henry, kasnije prvi

    ravnatelj instituta Smithsonian.

    Namotaj ice spojen je na galvanometar (slika a). Kada magnet koji je u blizini miruje,

    mjera ne pokazuje nikakvu struju jer ne postoji izvor elektromotornih sila u krugu. Ali kada

    premjestimo magnet bilo prema ili od zavojnice, mjera pokazuje struju u krugu, ali samo dok

    se magnet kree (slika b). Ako magnet miruje a namotaj pomjerimo, ponovo emo pokrenuti

    struju. To se naziva inducirana struja, a potrebna elektromotorna sila koja uzrokuje to, zove se

    inducirana elektromotorna sila. Na slici c smo zamijenuli magnet sa drugim namotajem koji je

    prikljuen na bateriju. Kada drugi namotaj miruje, nema struje u prvom namotaju. Meutim,

    kada pribliimo ili udaljimo jedan namotaj od drugog, onda u prvom namotaju ima struje

    samo dok se jedan namotaj kree relativno u odnosu na drugi. Konano, na slici 2 oba

    namotaja miruje i mijenjaju struju u drugom namotaju bilo otvarajui ili zatvarajui prekida

    ili promjenom otpora drugog namotaja kojem je prekida zatvoren (vjerovatno zbog struje u

    drugom namotaju). Smatra se, kada se prekida otovri ili zatvori, da u prvom krugu ima

    struje. Kada mijenjamo struju i otpor u drugom namotaju, u prvom krugu postoji inducirana

    struja, ali samo dok se struja u drugom krugu mijenja.

    Kako bi se vie istaili zajedniki elementi tih opaanja, razmotrimo detaljnije pokus na slici

    2. Povezujemo namotaj ice za galvanometar, a zatim stavite namotaj izmeu polova

    elektromagneta ije je magnetno polje promjenjivo.

  • 2

    Slika 2

    Evo to mi promatramo:

    1. Kada nema struje u elektromagnetu, tada je vektor i galvanometar pokazuje da

    nema struje;

    2. Kada je elektromagnet ukljuen, postoji trenutana struja i tada se poveava;

    3 .Kada je konstantan, jaina struje je jednaka 0, bez obzira kolika je veliina .

    4. Sa namotajem u horizontalnoj ravni pritiemo namotaj tako da se smanjiva popreni

    presjek namotaja. Mjera mjeri struju samo tokom deformacije, a ne prije ili poslije.

  • 3

    5. Ako rotiramo namotaj nekoliko stupnjeva oko horizontalne osi, tada postoji struja koja je u

    istom smjeru kao i povrina koja se smanjuje. Kada se namotaj rotira natrag, tad je struja u

    suprotnom smjeru tijekom ove rotacije.

    6. Ako izbacimo namotaj iz magnetskog polja, postoji struja prilikom tog kretanja koja je u

    istom smjeru kao i kada je smanjena povrina.

    7. Ako smanjimo broj namotaja, postoji struja prilikom tog smanjenja koja je u istom smjeru

    kao i smanjena povrina. Ako poveamo broj namotaja, struja e biti u suprotnom smjeru.

    8. Kada je magnet iskljuen, trenutna struja ima suprotan smjer.

    9. to se bre obavlja neka od tih promjena, struja je vea.

    10. Ako su svi ovi eksperimenti ponavljeni sa namotajem koji ima isti oblik ali razliit

    materijal i otpor, struja je obrnuto proporcionala ukupnom otporu kruga. To pokazuje da

    inducirane elektromotorne sile koje uzrokuju struju ne ovisi o materijalu namotaja, nego o

    njegovom obliku i magnetnom polju.

    Zajedniki element u svim ovim eksperimentima je promjena magnetnog fluksa kroz

    namotaje spojene na galvanometar. U svakom sluaju, fluks se mijenja ili zbog promijene

    magnetnog polja ili zato to se namotaj kree kroz nejednako magnetno polje. Faradayev

    zakon indukcije navodi da je u svi ovim situacijama inducirana elektromotorna sila

    proporcionalna s brzinom promjene magnetskog toka kroz namotaj. Smjer inducirane

    elektromotorne sile ovisi o tome da li se poveava ili smanjuje tok. Ako je fluks konstantan,

    ne postoji inducirana elektromotorna sila. Ove elektromotorne sile imaju veliki broj promjena.

    U elektrani koja opskrbljuje elektrini generator proizvodi elektromotornu silu mijenjanjem

    magnetnog fluksa kroz namotaj ice. Ova elektromotorna sila opskrbljuje napon izmeu

    utinice koja omoguuje nae svjetlo za itanje. Doista, bilo ureaj koji prikljuite u utinicu

    koristi induciranu elektromotornu silu.

  • 4

    2. FARADAJEV ZAKON

    Zajedniki element u svim indukcijskim uincima je promjenjivi magnetni fluks kroz krug.

    Prije nego to navedemo zakon koji obuhvata sve eksperimente opisane u 1.1 , prvo emo da

    pogledamo koncept magnetskog fluksa. U magnetnom polju (slika 3) magnetni fluks

    kroz to podruje je:

    gdje je B komponenta od okomita na povrinu podruja i je ugao izmeu i

    Slika 3

    (Raun magnetskog fluka kroz element prostora)

    2.1 IZRAUNAVANJE FLUKSA U JEDINSTVENOM MAGNETNOM POLJU KROZ

    RAVNU POVRINU

    Slika 4

  • 5

    Povrina je okrenuta prema magnetnom polju. i su paralelni, a ugao izmeu njih je

    jednak 0. Magnetni fluks je jednak:

    Slika 5

    Povrina je nagnuta pod uglom koji se nalazi izmeu i . Magnetni fluks je jednak:

    Slika 6

    Povrina je na rubu magnetnog polja. i su paralelni a ugao . Magnetni fluks je

    jednak:

  • 6

    Totalni magnetni fluks kroz ogranienu povrinu je:

    Ako je jedinstvena cjelina preko ravne povrine , onda je:

    2.2 ODREIVANJE SMJERA

    Moramo biti paljivi kod odreivanja smjera ili . Uvijek postoje dva smjera paralelna

    s bilo kojom povrinom i znak od magnetnog fluksa kroz podruje ovisi o onome kojeg mi

    uzmemo da je pozitivan. Nprimjer u primjeru slika 3 mi smo uzeli da je usmjeren prema

    gore, pa je ugao manji od 90 i da je pozitivno. Da smo uzeli da je usmjereno

    prema dolje, ugao bi bio vei od 90, a bi bilo negativno. Oba sluaja su prihvataju,

    ali moramo biti paljivi sa odabiranjem znaka + ili - .

    2.3 FARADAYEV ZAKON INDUKCIJE

    Izazvana elektromotorna sila u zatvorenoj petlji je jednaka negativnoj vremenskoj promjeni

    fluksa kroz tu pelju.

    Da bismo odredili da li je znak negativan moramo da odredimo znak izazvane elektromotorne

    sile.

    Primjer:

    1.Magnetno polje izmeu polova elektromagneta na slici 7 je uvijek jedinstveno, ali njegova

    veliina se poveava na 0.020

    . Podruje konduktivne petlje u polju je 120 i ukupni

    otpor kruga je 5,0 .

    a) Nai izazvanu elektromotornu silu i struju u krugu.

    b) Ako je petlja zamijenjena sa jednim inzulatorom, kakav e efekat imati na izazvanu struju i

    elektromotornu silu?

  • 7

    Slika 7

    Rjeenje:

    Magnetni fluks kroz petlju se mijenja ako se i magnetno polje mijenja. Stoga, izazvat e

    se elektromotorna sila i struja I u krugu. Izraunavamo Eq koristei i naiemo E

    pomou Faradayevog zakona. Na kraju, izaunaemo I pomou gdje je R ukupni

    otpor kruga ukljuujui i petlju.

    a) Vektor podruja za petlju je paralelan sa ravninom petlje. Uzet emo da je

    usmjereno prema gore. i su paralelni,a je jedinstveno, pa e magnetni fluks kroz

    petlju biti

    Podruje 0,012 je konstanta, stoga promjena magnetnog fluksa je:

    b) Prilikom promjena u izolacijskoj petlji, otpor je jako velik. Faradayev zakon ne ukljuje

    otpor u krugu, pa zbog toga elektromotorna sila se ne mijenja. Ali struja e biti manja. Ako bi

    petlja bila napravljena od savrenog izolatora sa beskrajnim otporom, struja bi bila jednaka 0.

    Ova situacija je slina izolovanoj bateriji, terminali nisu spojeni ni na ta. Elektromotorna sila

    je prisutna ali nema struje.

  • 8

    3. SMJER ELEKTROMOTORNE SILE

    Moemo odrediti smjer elektromotorne sile ili struje pomou formule:

    zajedno sa nekim pravilima o znakovima. Procedura je:

    1) Odrediti pozitivni smjer vektora podruja

    2) Pomou smjera i magnetnog polja , odrediti smjer magnetnog fluksa i stopu

    promjene . Slika 8

    3) Odrediti znak elektromotorne sile i struje. Ako se fluks poveava, je pozitivno,

    a elektromotorna sila i struja su negativni, i obrnuto.

    4) Na kraju, odrediti smjer elektromotorne sile i vektora podruja , uz pomo desne ruke.

    Savijte prste desne ruke oko vektora , u smjeru da vam je desni palac u smjeru . Ako

    su ele