Магнит в намотка — индукция и генератор

Индукционни линии на магнита

Магнитното поле се рисува с индукционни линии. Извън правия магнит те излизат от северния полюс и влизат в южния; вътре в магнита продължават от южния към северния и така се затварят. Линиите не се пресичат и никога не започват от празно място. Там, където са по-гъсти, полето е по-силно. Силата на полето се мери в тесла (T).

Електромагнитна индукция

Прекарай магнит през намотка и стрелката на волтметъра трепва. Това е електромагнитната индукция: когато магнитното поле през намотката се променя, в нея се получава индуцирано напрежение (и индуциран ток, ако веригата е затворена). Открива го Майкъл Фарадей през 1831 година.

Важното е в една дума: промяна. Магнит, който стои в намотката, не дава напрежение, колкото и силен да е. Няма значение и кой от двамата се движи: магнитът към намотката или намотката към магнита — важи само движението им един спрямо друг. Ако двамата се движат заедно, напрежение няма.

От какво зависи напрежението

Законът на Фарадей, казан с думи: индуцираното напрежение е толкова по-голямо, колкото по-бързо се променя полето през намотката и колкото повече навивки има тя. Затова по-бърз магнит, повече навивки или по-силен магнит дават по-висок връх на графиката.

В самата среда на намотката полето през нея е най-голямо, но за миг не се променя — там напрежението е нула. Най-голямо е малко преди средата и малко след нея. Когато магнитът излиза, полето намалява и стрелката отива на другата страна; обърнеш ли магнита, графиката също се обръща.

Двойно по-бърз магнит дава връх, който е два пъти по-висок, но и два пъти по-кратък: площта под върха остава същата.

Генераторът на променливо напрежение

Завъртиш ли рамка с намотка между два полюса, полето през нея се променя непрекъснато и в нея се индуцира напрежение, което сменя знака си два пъти за един оборот — това е променливото напрежение. По-бързото въртене променя полето по-бързо: расте и амплитудата, и честотата. Повече навивки или по-силно поле също увеличават амплитудата.

От графиката се чете периодът T — времето между два съседни върха, честотата ν = 1/T и амплитудата — най-голямото напрежение. Когато рамката е перпендикулярна на полето, напрежението е нула; когато е успоредна на него, е най-голямо.

Ефективни стойности и мощност

Средното напрежение за един период е нула, но лампата свети: мощността P = U·I не е отрицателна, когато напрежението е отрицателно. За да смятаме мощността, ползваме ефективните стойности: U = U_max/√2 и I = I_max/√2. Тогава средната мощност върху резистор е P = U·I = U²/R. Ефективното напрежение не е половината от най-голямото, а около 0,71 от него.

В България напрежението в контакта е 230 V при 50 Hz. Това е ефективното напрежение; във върха на вълната то стига около 325 V, а знакът му се сменя 100 пъти в секунда.

Какво опростихме

• Магнитът е точка с магнитен момент; истинският магнит има дължина и върховете са малко по-широки.
• Волтметърът е идеален: през него не тече ток и магнитът не се забавя.
• Навивките на намотката са в една равнина, а генераторът няма загуби.
• Посоката на тока в навивките не е част от програмата; тя е само в слоя „Извън програмата“.

За учителя: с мрежовото напрежение не се правят опити — 230 V са опасни за живота. Силните неодимови магнити прищипват пръстите и не се дават на малки деца.