Симулятор электромагнитной индукции
Уравнения этой модели
| ε | ЭДС индукции | напряжение, которое меняющийся поток гонит по катушке; знак минус — правило Ленца: вызванный им ток противодействует изменению | |
|---|---|---|---|
| N | Витков катушки N (или первичной обмотки) | каждый виток добавляет одинаковую ЭДС | |
| Φ | магнитный поток через один виток | в веберах; график показывает, как ε зависит от положения магнита |
При текущих значениях:
| m | Сила магнита m (А·м²) | дипольный момент магнита; у неодимового магнита объёмом 1 см³ около 1 А·м² | |
|---|---|---|---|
| a | радиус катушки | 2 cm | |
| d | расстояние от центра магнита до витка | магнит считается точечным диполем, что грубо, когда он внутри катушки |
При текущих значениях:
| R | Сопротивление нагрузки R (Ом) | провод самой катушки добавляет 0,02 Ом на виток |
|---|
При текущих значениях:
| B | Поле B (тесла, генератор) | однородное между полюсами | |
|---|---|---|---|
| A | Площадь катушки A (см², генератор) | поток через катушку равен N B A cos ωt | |
| ω | угловая скорость, 2πf | по «Частоте f (Гц, генератор и трансформатор)» |
При текущих значениях:
| V_p, V_s | первичное и вторичное напряжение | идеальный трансформатор: без потерь, весь поток сцеплен с обеими обмотками | |
|---|---|---|---|
| N_s | Витков вторичной обмотки N_s (трансформатор) | больше витков, чем в первичной, — напряжение повышается, а ток понижается |
При текущих значениях:
Как пользоваться симулятором электромагнитной индукции
- В режиме «Магнит и катушка» магнит сам движется в катушку и из неё, проходит насквозь или следует за ползунком положения, если выбрано «Вручную». Гальванометр отклоняется в одну сторону, когда магнит входит, и в другую, когда выходит, и стоит на нуле, пока магнит неподвижен: ток создаёт только меняющийся поток. Буквы над катушкой показывают её индуцированные полюсы, всегда противодействующие изменению (правило Ленца). Синие точки в проводе — электроны: они движутся быстрее при большем токе, и чем больше точка, тем выше напряжение в этом месте.
- Меняйте скорость, силу магнита и число витков и смотрите, как ЭДС растёт с каждым из них, как гласит закон Фарадея. Разверните магнит, чтобы изменить направление тока. График показывает ЭДС, которую магнит создаёт в каждом положении при заданной скорости: пик при входе, противоположный пик при выходе и ноль в центре.
- Переключитесь на генератор, чтобы вращать катушку в однородном поле и получить синусоиду с её амплитудным и действующим значениями, или на трансформатор, чтобы повышать или понижать напряжение коэффициентом трансформации. Отметьте «Подать на трансформатор постоянный ток», чтобы увидеть, что трансформатор не даёт ничего. Калькулятор закона Ома рассчитывает ток в нагрузке.
Частые вопросы
Что такое закон электромагнитной индукции Фарадея?
Меняющийся магнитный поток через катушку индуцирует ЭДС, равную числу витков, умноженному на скорость изменения потока: ε = −N dΦ ÷ dt. Более быстрое движение магнита, более сильный магнит или больше витков — всё это повышает напряжение. Неподвижный магнит внутри катушки ничего не индуцирует.
Что означает правило Ленца?
Индуцированный ток течёт в направлении, противодействующем вызвавшему его изменению; это знак минус в законе Фарадея. Вдвигаемый магнит встречает катушку, ближний конец которой становится одноимённым полюсом и отталкивает его; выдвигаемый магнит притягивается обратно. Против этой силы приходится совершать работу — отсюда и берётся электрическая энергия.
Как генератор вырабатывает переменный ток?
Через катушку, вращающуюся в магнитном поле, проходит поток N B A cos ωt, который всё время меняется, поэтому она даёт ЭДС N B A ω sin ωt. Напряжение меняет знак дважды за оборот. Электростанции вращают генераторы 50 или 60 раз в секунду, что задаёт частоту сети.
Почему трансформатор не работает на постоянном токе?
Трансформатор работает потому, что переменный ток в первичной обмотке создаёт меняющийся поток в сердечнике, который индуцирует напряжение во вторичной. Постоянный ток создаёт постоянный поток, поэтому после момента включения изменения нет и выхода нет. Хуже того, ток в первичной обмотке тогда ограничен лишь сопротивлением её провода, и она может перегреться.
Пишет, что WebGL выключен.
Для 3D-вида нужен WebGL, который есть во всех современных браузерах. Он может быть выключен, если в настройках браузера отключено аппаратное ускорение или графический драйвер очень старый. Включите аппаратное ускорение или попробуйте другой браузер.
Загружается ли что-нибудь?
Нет. Симуляцию рисует ваш собственный браузер с помощью WebGL; ничего никуда не отправляется, и после загрузки страницы она работает и офлайн.