Новини освіти і науки:

Тлумачний словник
Авто
Автоматизація
Архітектура
Астрономія
Аудит
Біологія
Будівництво
Бухгалтерія
Винахідництво
Виробництво
Військова справа
Генетика
Географія
Геологія
Господарство
Держава
Дім
Екологія
Економетрика
Економіка
Електроніка
Журналістика та ЗМІ
Зв'язок
Іноземні мови
Інформатика
Історія
Комп'ютери
Креслення
Кулінарія
Культура
Лексикологія
Література
Логіка
Маркетинг
Математика
Машинобудування
Медицина
Менеджмент
Метали і Зварювання
Механіка
Мистецтво
Музика
Населення
Освіта
Охорона безпеки життя
Охорона Праці
Педагогіка
Політика
Право
Програмування
Промисловість
Психологія
Радіо
Регилия
Соціологія
Спорт
Стандартизація
Технології
Торгівля
Туризм
Фізика
Фізіологія
Філософія
Фінанси
Хімія
Юриспунденкция

МАГНІТНИЙ ПОТІК

Електромагнітну індукцію можна спостерігати у двох випадках: коли провідник рухається в однорідному магнітному полі або коли нерухомий провідник знаходиться в магнітному полі, індукція якого змінюється з часом. Зрозуміло, що на практиці це трапляється не часто. Ймовірніші випадки, коли одночасно змінюються як координати провідника, так і індукція магнітного поля. Прикладом може бути рух провідника в неоднорідному магнітному полі, коли змінюються не тільки координати провідника, а й індукція магнітного поля. Якщо в цьому разі розрахунки вести так, як описано в попередніх параграфах, то вони будуть складними і громіздкими. Тому для спрощення опису різних випадків електромагнітної індукції у фізиці було введено фізичну величину, яка одночасно залежить і від індукції магнітного поля, і від характеристик стану провідника. Ця величина одержала назву магнітного потоку. Магнітний потік — узагальнене поняття, яке характеризує магнітне полеУявімо провідник у вигляді замкнутого кільця, що знаходиться в однорідному магнітному полі (мал. 1.12, а). Приведемо кільце в рух у площині, перпендикулярній до ліній індукції магнітного поля. При цьому кільце виходитиме з магнітного поля, кількість ліній індукції магнітного поля, які проходять через нього, зменшуватиметься, і в кільці виникатиме індукційний струм (див. мал. 1.12, б). Якщо кільце провідника розмістити у магнітному полі, індукція якого змінюється, то кількість ліній індукції магнітного поля через контур буде змінюватися (густина ліній пропорційна індукції магнітного поля), і в провіднику також виникатиме електричний струм (мал. 1.13).

У першому випадку змінювалася площа частини витка, яка знаходилася в магнітному полі.Обидва описані приклади можна пояснити простіше, якщо для кожного з них враховувати добуток площі кільця на значення індукції магнітного поля. В обох випадках цей добуток змінювався.

Магнітний потік залежить не тільки від модуля магнітної індукції поля та площі контуру, а й від кута, який утворюють нормаль (перпендикуляр) до площини витка і вектор індукції магнітного поля (мал. 1.14).

Тому в математичній формі значення магнітного потоку в загальному випадку записується формулою

де Ф — магнітний потік; В — модуль магнітної індукції поля; α — кут між нормаллю до площини контура і індукцією магнітного поля. Аналіз формули показує, що мінімальне значення магнітного потоку буде за α = 90°, коли площина контура паралельна лініям індукції магнітного поля. Якщо ж α = 0, то магнітний потік буде максимальним. Добуток площі замкнутого контура на модуль індукції магнітного поля, в якому він знаходиться, та косинус кута між індукцією та нормаллю до площини контура, називають магнітним потоком, або потоком індукції магнітного поляМагнітний потік є скалярною фізичною величиною і має окрему одиницю вимірювання. Цю одиницю можна взяти з означення.

Якщо індукція магнітного поля 1 Тл, а площа контура, крізь який проходить магнітний потік, 1 м², то магнітний потік дорівнює 1 веберу (1Вб):1 Вб = 1 Тл • 1 м². Будь-які зміни індукції магнітного поля чи площі контуру приводять до зміни магнітного потоку і викликають явище електромагнітної індукції. Отже, будь-яка зміна магнітного потоку зумовлює виникнення електричного струму в замкнутому провідному контурі. З урахуванням закону Ома для замкнутого кола останній висновок можна записати так:· будь-яка зміна магнітного потоку приводить до виникнення БРС індукції.4. ПРАВИЛО ЛЕНЦА У практичних розрахунках електричних кіл, де спостерігається явище електромагнітної індукції, користуватися електронною теорією із залученням таких понять, як вихрове електричне поле чи сила Лоренца, дуже незручно. Ретельні дослідження відомого фізика X. Е. Ленца дали змогу встановити універсальне правило для визначення напрямку індукційного електричного струму без залучення електронної теорії, лише на основі зовнішніх проявів цього явища. З цією метою Е. X. Ленц дослідив взаємодію замкнутого провідника і змінного магнітного поля, яке викликало струм у провіднику.Щоб краще зрозуміти суть цих дослідів, розглянемо спеціальний прилад (мал. 1.15).

На легкому горизонтальному важелі, що має вертикальну вісь обертання, знаходяться два легких кільця, одне з яких суцільне, а друге — розрізане. Важіль насаджений на тонке сталеве вістря так, щоб тертя було мінімальним.

Уведемо в суцільне кільце тонку котушку з феромагнітним осердям (електромагніт), увімкнену в електричне коло із джерела струму і вимикача (мал. 1.16).

Якщо замкнути коло живлення електромагніта, то кільце, відштовхуючись від котушки, зміститься на певну відстань і поверне важіль на деякий кут. Якщо дослід повторити, змінивши напрямок струму в котушці, то спостерігатимемо такий самий ефект. Отже, важливе значення має не напрямок струму в котушці і, відповідно, ліній індукції магнітного поля, а зростання індукції магнітного поля.

У момент появи струму в електромагніті замкнуте провідне кільце завжди відштовхуватиметься від ньогоУ разі розмикання кола живлення електромагніта кільце притягуватиметься до котушкиЯкщо описані досліди повторити з розрізаним кільцем, то не виявимо жодного подібного ефекту. Це засвідчує, що ефект пов'язаний з індукційним струмом, який з'являється в суцільному кільці. Щоб зрозуміти подальший хід міркувань, пригадайте, що паралельні провідники, якими проходить струм в одному напрямку, притягуються, а в протилежних — відштовхуються. Отже, якщо кільце відштовхується від котушки, то в ньому індукується струм, напрямок якого протилежний до напрямку струму в котушці (мал. 1.17).

Протилежними будуть і напрямки індукції магнітних полів цих струмів.

Магнітне поле струму в кільці компенсує зміну магнітного поля котушки. Якщо до замикання кола живлення електромагніта індукція магнітного поля дорівнювала нулю (B = 0), то і в момент замикання кола сума магнітних індукцій струмів у кільці та в котушці має дорівнювати нулю. Енергія джерела струму, яке живить котушку електромагніта, йде на нагрівання і переміщення кільця. Аналогічні міркування справедливі і для випадку розмикання кола живлення котушки. Якщо кільце притягується до котушки, то напрямок індукованого в ньому струму збігається з напрямком струму в котушці. Збігаються напрямки індукцій магнітних полів цих струмів. Причому зменшення індукції магнітного поля котушки компенсується магнітним полем індукційного струму в кільці (мал. 1.18 ). Отримані результати можна узагальнити як правило Ленца. Правило Ленца:· Індукційний струм, який виникає в замкнутому провідниі має такий напрямок, що його магнітне поле компенсує ту зміну магнітного потоку, яка викликала цей струм.Узагальнивши результати експериментальних досліджень, можна сформулювати правило Ленца яке стверджує, що магнітне поле індукційного струму завжди протидіє зміні зовнішнього магнітного поля. Ефект протидії (протилежної дії) фізичних об'єктів у формулах відображають знаком «мінус». Це важливо пам'ятати при розгляді матеріалу наступного параграфа. 5. ЗАКОН ЕЛЕКТРОМАГНІТНОЇ ІНДУКЦІЇПроаналізувавши результати експериментальних досліджень явища електромагнітної індукції, можна знайти загальну форму вираження особливостей цього явища, які відображають суть закону електромагнітної індукції.Закон електромагнітної індукції описує явище електромагнітної індукції в узагальненій формі. У ньому підкреслюється, що в разі електромагнітної індукції з'являється ЕРС, яка і є причиною виникнення електричного струму в замкнутих провідниках при зміні магнітного потоку. Найцікавіше, що зв'язок між цими двома явищами виявився надзвичайно простим. Це стало можливим завдяки введенню такого узагальненого поняття, як магнітний потік.Явище електромагнітної індукції підпорядковане закону електромагнітної індукціїЗакон електромагнітної індукції формулюється так: електрорушійна сила індукції пропорційна швидкості зміни магнітного потоку. У математичній формі його можна записати формулою:

де

— електрорушійна сила індукції;

— швидкість зміни магнітного потоку;

— коефіцієнт пропорційності. Якщо величини, які входять у цю формулу, виражені в одиницях Міжнародної системи (СІ), то коефіцієнт пропорційності дорівнює одиниці (k = 1). З урахуванням правила Ленца закон електромагнітної індукції записують так:

Знак «мінус» у цій формулі означає, що знак ЕРС залежить від знака швидкості зміни магнітного потоку. Якщо в разі збільшення магнітного потоку ЕРС матиме певний знак, то зі зменшенням магнітного потоку знак ЕРС зміниться на протилежний.Закон електромагнітної індукції називають законом Фарадея або законом Фарадея-Максвелла, оскільки так його подав Д. К. Максвелл. Електрорушійна сила індукції пропорційна швидкості зміні магнітного потоку

У законі електромагнітної індукції враховано правило Ленца

Для замкнутого провідника М.Фарадей запропонував іншу форму запису закону електромагнітної індукції Проте цей закон досить легко можна одержати у формі, яку запропонував М. Фарадей. Нехай магнітний потік, що пронизує замкнутий контур, змінюється на ΔФ. При цьому в контурі виникає ЕРС:

Сила струму в контурі

де R — опір контура.

Заряд, який проходить у контурі внаслідок явища електромагнітної індукції:

Оскільки заряд є величиною скалярною, то знак «мінус» у законі можна опустити. Отже,

Щоб переконатися в універсальності закону Фарадея для електромагнітної індукції, розглянемо явище виникнення ЕРС індукції під час руху прямого провідника в однорідному магнітному полі.

Нехай прямолінійний провідник АВ завдовжки l з'єднаний з гальванометром і знаходиться в однорідному магнітному полі з індукцією (мал. 1.19).

Деяка зовнішня сила приводить провідник у рух, і він починає рухатися зі швидкістю, перпендикулярною до ліній індукції магнітного поля (α = 90°). За такого руху в колі з'являється ЕРС індукції, яку можна обчислити за формулою

Врахувавши, що провідник рухається перпендикулярно до ліній індукції магнітного поля (sinα=1), одержимо:

За означенням швидкості

де Δs - переміщення провідника; Δt — інтервал часу. Тому

Добуток Δs — це площа, яку опише під час руху провідник АВ за інтервал часу Δt. Тому його можна записати як

Тоді для ЕРС дістанемо:

З означення випливає, що BΔS = ΔФ.

Остаточно матимемо

З урахуванням правила Ленца, одержимо

Це найбільш загальний запис закону електромагнітної індукції. Він стосується не тільки провідника, який рухається в магнітному полі, а й нерухомого провідника у змінному магнітному полі. Для останнього випадку його можна записати в такій формі:

Множник описує індукційне електричне поле, пов'язане зі змінним магнітним полем.

Приклад. Магнітний потік у котушці, яка має 75 витків, дорівнює 4,8 • 10^-3 Вб. За який час має зникнути цей потік, щоб у котушці виникла ЕРС індукції, середнє значення якої дорівнює 0,74 В?

Дано: Розвязування

ЕРС індукції в котушці виникає тому, ш\що магнітний потів, який пронизує її, змінюється на величину ∆Ф=Ф₂-Ф₁. У кожному витку котушки при цьому виникатиме ЕРС індукції, яка відповіда закону електромагнітної індукції і дорівнює:

Оскільки N витків котушки з’єднані між собою послідовно, то ЕРС індукції в котушці буде в N разів більшою:

Звідси одержимо: , або

Підставивши значення фізичних величин, отримаємо:

Відповідь: струм має зникнути за 0,49 с.

ЗАПИТАННЯ

1. Хто з учених провів ефективні досліди з електромагнітної індукції?

2. Вище описано декілька дослідів з виявлення явища електромагнітної індукції. Що у них спільного?

3. Якого висновку можна дійти з аналізу описаних дослідів?

4. Яке з описаних явищ є проявом електромагнітної індукції?

5. Який струм називають індукційним?

6. Що відбувається з вільними електронами в металевому провіднику, що рухається в магнітному полі?

7. Чому вільні електрони зміщуються до одного з кінців провідника, який рухається в магнітному полі?

8. Коли за рівномірного руху провідника переміщення вільних електронів припиняється?

9. Чому суцільне металеве кільце відштовхується від електромагніта в момент замикання кола живлення?

10. Чому суцільне металеве кільце притягується до електромагніта під час розмикання кола живлення?

11. Сформулюйте правило Ленца.

12. Яка роль джерела струму в процесі взаємодії магнітного поля і металевого кільця?

13. Яку фізичну величину називають магнітним потоком?

14. З якою метою введено поняття магнітного потоку?

15. Які одиниці магнітного потоку?

16. Від яких величин залежить магнітний потік?

17. Як формулюється закон електромагнітної індукції?

18. Що означає знак «мінус» у математичному записі закону електромагнітної індукції?

19. Як довести, що під час руху прямого провідника у магнітному полі відбувається електромагнітна індукція?

20. Чи передбачає закон електромагнітної індукції існування вихрового електричного поля?

Читайте також:

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
ЕЛЕКТРОМАГНІТНА ІНДУКЦІЯ В РУХОМОМУ ПРОВІДНИКУ	\|	РЕКОМЕНДОВАНА ЛІТЕРАТУРА

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.005 сек.