Odnos između električnog i magnetnog polja uočen je veoma dugo. Ovu vezu je u 19. veku otkrio engleski fizičar Faradej i dao joj ime. Pojavljuje se u trenutku kada magnetni tok prodire u površinu zatvorenog kola. Nakon što dođe do promjene magnetskog toka na određeno vrijeme, u ovom krugu se pojavljuje električna struja.
Odnos elektromagnetne indukcije i magnetskog fluksa
Suština magnetnog fluksa je prikazana dobro poznatom formulom: F = BS cos α. U njemu je F magnetski tok, S je površina konture (površine), B je vektor magnetske indukcije. Ugao α nastaje zbog smjera vektora magnetske indukcije i normale na površinu konture. Iz toga slijedi da će magnetni tok dostići maksimalni prag pri cos α = 1, a minimalni prag pri cos α = 0.
U drugoj varijanti vektor B će biti okomit na normalu. Ispada da linije protoka ne prelaze konturu, već samo klize duž njene ravni. Stoga će karakteristike biti određene linijama vektora B koje sijeku površinu konture. Za izračun, Weber se koristi kao mjerna jedinica: 1 wb = 1v x 1s (volt-sekunda). Druga, manja jedinica mjere je maxwell (µs). To je: 1 wb \u003d 108 μs, odnosno 1 μs \u003d 10-8 wb.
Za Faradayeva istraživanja korištene su dvije žičane spirale, izolirane jedna od druge i postavljene na drvenu zavojnicu. Jedan od njih je bio spojen na izvor energije, a drugi na galvanometar dizajniran za snimanje malih struja. U tom trenutku, kada se sklop originalne spirale zatvorio i otvorio, u drugom krugu je strelica mjernog uređaja skrenula.
Provođenje istraživanja o fenomenu indukcije
U prvoj seriji eksperimenata, Michael Faraday je ubacio magnetiziranu metalnu šipku u zavojnicu povezanu sa strujom, a zatim je izvukao (sl. 1, 2).
1 
2 
Kada se magnet stavi u zavojnicu spojenu na mjerni uređaj, induktivna struja počinje teći u kolu. Ako se magnetna šipka ukloni sa zavojnice, indukcijska struja se i dalje pojavljuje, ali je njen smjer već obrnut. Shodno tome, parametri indukcijske struje će se mijenjati u smjeru šipke i ovisno o polu s kojim je postavljena u zavojnicu. Na snagu struje utiče brzina kretanja magneta.
U drugoj seriji eksperimenata potvrđena je pojava u kojoj promjenjiva struja u jednoj zavojnici uzrokuje indukcijsku struju u drugoj zavojnici (sl. 3, 4, 5). To se dešava u momentima zatvaranja i otvaranja strujnog kruga. Smjer struje ovisit će o tome da li se električni krug zatvara ili otvara. Osim toga, ove radnje nisu ništa drugo do načini za promjenu magnetskog toka. Kada je krug zatvoren, on će se povećati, a kada se otvori, smanjit će se, istovremeno prodirući u prvu zavojnicu.
3 
4 
5 
Kao rezultat eksperimenata, ustanovljeno je da je pojava električne struje unutar zatvorenog provodnog kola moguća samo kada su stavljeni u naizmjenično magnetsko polje. U isto vrijeme, tok se može promijeniti u vremenu na bilo koji način.
Električna struja koja se javlja pod uticajem elektromagnetne indukcije naziva se indukcija, iako to neće biti struja u konvencionalnom smislu. Kada je zatvoreno kolo u magnetskom polju, generira se EMF s točnom vrijednošću, a ne struja ovisno o različitim otporima.
Ovaj fenomen se naziva EMF indukcije, što se odražava formulom: Eind = - ∆F / ∆t. Njegova vrijednost se poklapa sa brzinom promjene magnetskog fluksa koji prodire u površinu zatvorene petlje, uzeto sa negativnom vrijednošću. Minus prisutan u ovom izrazu je odraz Lenzovog pravila.
Lenzovo pravilo za magnetni fluks
Poznato pravilo izvedeno je nizom studija 30-ih godina 19. vijeka. Formulisan je na sledeći način:
Smjer indukcijske struje, pobuđen u zatvorenom krugu promjenjivim magnetskim tokom, utječe na magnetsko polje koje stvara na način da ono, zauzvrat, stvara prepreku magnetskom toku koja uzrokuje pojavu induktivne struje.
Kada se magnetni fluks povećava, odnosno postaje F > 0, a indukcijski EMF se smanjuje i postaje Eind< 0, в результате этого появляется электроток с такой направленностью, при которой под влиянием его магнитного поля происходит изменение потока в сторону уменьшения при его прохождении через плоскость замкнутого контура.
Ako se protok smanji, tada se javlja obrnuti proces kada F< 0 и Еинд >0, odnosno djelovanjem magnetskog polja indukcijske struje, dolazi do povećanja magnetskog fluksa koji prolazi kroz krug.
Fizičko značenje Lenzovog pravila je da odražava zakon održanja energije, kada kada se jedna količina smanjuje, druga se povećava, i obrnuto, kada se jedna količina povećava, druga će se smanjiti. Na indukcionu emf utiču i različiti faktori. Kada se jak i slab magnet naizmjenično ubaci u zavojnicu, uređaj će u prvom slučaju pokazati višu vrijednost, au drugom nižu vrijednost. Ista stvar se dešava kada se brzina magneta promeni.
Slika ispod pokazuje kako se smjer indukcijske struje određuje korištenjem Lenzovog pravila. Plava boja odgovara linijama sile magnetnih polja indukcijske struje i trajnog magneta. Nalaze se u pravcu sjever-jug polova koji su prisutni u svakom magnetu.
Promjenjivi magnetni tok dovodi do pojave induktivne električne struje čiji smjer izaziva suprotstavljanje njenog magnetnog polja, što sprječava promjene magnetskog fluksa. S tim u vezi, linije sile magnetskog polja zavojnice su usmjerene u smjeru suprotnom od linija sile stalnog magneta, budući da se njegovo kretanje događa u smjeru ovog zavojnice.
Za određivanje smjera struje koristi se desni navoj. Mora se zašrafiti na takav način da se smjer njegovog kretanja naprijed poklapa sa smjerom indukcijskih linija zavojnice. U tom slučaju će se pravci indukcijske struje i rotacija ručke cilindra poklopiti.
Električni I magnetna polja generišu isti izvori - električni naboji, pa možemo pretpostaviti da postoji određena veza između ovih polja. Ova pretpostavka našla je eksperimentalnu potvrdu 1831. godine u eksperimentima istaknutog engleskog fizičara M. Faradaya. On je otvorio fenomen elektromagnetne indukcije.
Fenomen elektromagnetne indukcije je u osnovi rada indukcionih generatora električne struje, koji pokrivaju svu električnu energiju proizvedenu u svijetu.
- magnetni fluks
Kvantitativna karakteristika procesa promjene magnetnog polja kroz zatvorenu petlju je fizička veličina tzv. magnetni fluks. Magnetski fluks (F) kroz područje zatvorene petlje (S) je fizička veličina jednaka proizvodu modula vektora magnetske indukcije (B) na površinu petlje (S) i kosinus ugla izmeđuvektor B i normalan na površinu: Φ = BS cos α. Jedinica magnetskog fluksa je F - weber (Wb): 1 Wb \u003d 1 T 1 m 2.
okomito maksimum.
Ako je vektor magnetne indukcije paralelno područje konture, zatim magnetni fluks jednako nuli.
- Zakon elektromagnetne indukcije
Empirijski je ustanovljen zakon elektromagnetne indukcije: EMF indukcije u zatvorenom kolu je po apsolutnoj vrijednosti jednak brzini promjene magnetskog fluksa kroz površinu ograničenu krugom: Ova formula se naziva Faradejev zakon .
Faradejev prvi eksperiment je klasična demonstracija osnovnog zakona elektromagnetne indukcije. U njemu, što se brže magnet pomiče kroz zavoje zavojnice, to se u njemu pojavljuje više indukcijske struje, a time i indukcijske EMF.
- Lenzovo pravilo
Ovisnost smjera indukcijske struje o prirodi promjene magnetskog polja kroz zatvoreni krug 1833. eksperimentalno je ustanovio ruski fizičar E. Kh. Lenz. Prema Lenzovo pravilo , koja nastaje u zatvorenom kolu, indukcijska struja svojim magnetskim poljem suprotstavlja promjenu magnetskog fluksa, koju pozvao. Ukratko, ovo pravilo se može formulirati na sljedeći način: indukovana struja je usmjerena tako da spriječi razlog koji ga uzrokuje. Lenzovo pravilo odražava eksperimentalnu činjenicu da oni uvijek imaju suprotne predznake (znak minus Faradejeva formula).
Lenz je dizajnirao uređaj koji se sastoji od dva aluminijska prstena, čvrsta i izrezana, postavljena na aluminijsku prečku. Mogli su da se rotiraju oko ose, poput klackalice. Kada je magnet uveden u čvrsti prsten, on je počeo da "bježi" od magneta, okrećući klackalicu u skladu s tim. Prilikom vađenja magneta iz prstena, pokušao je da "sustigne" magnet. Kada se magnet pomerio unutar reznog prstena, nije došlo do pomeranja. Lenz je eksperiment objasnio činjenicom da je magnetsko polje indukcijske struje nastojalo kompenzirati promjenu vanjskog magnetskog fluksa.
Lenzovo pravilo ima duboko fizičko značenje – ono izražava zakon očuvanja energije.
Pitanja.
1. Što određuje magnetski tok koji prodire u područje ravnog kola smještenog u jednolično magnetsko polje?
Iz vektora magnetske indukcije B, površina konture S, i njena orijentacija.
2. Kako se mijenja magnetni tok s povećanjem magnetske indukcije za faktor n, ako se ni površina ni orijentacija kola ne mijenjaju?
Povećava se n puta.
3. Pri kojoj orijentaciji kola u odnosu na linije magnetske indukcije je magnetni tok koji prodire u područje ovog kola najveći? jednako nuli?
Magnetski fluks je maksimalan ako je ravnina konture okomita na linije magnetske indukcije i jednaka nuli kada je paralelna.
4. Da li se magnetni fluks mijenja sa takvom rotacijom kola, kada linije magnetske indukcije tada prodiru kroz njega. zatim klizi duž njegove ravni?
Da. U slučaju kada se ugao nagiba magnetskih linija u odnosu na ravninu kruga promijeni, mijenja se i magnetni tok.
Vježbe.
1. Žičani namotaj K, sa čeličnim jezgrom, povezan je na kolo izvora jednosmjerne struje u seriji sa reostatom R i ključem K (Sl. 125). Električna struja koja teče kroz zavoje zavojnice K 1 stvara magnetsko polje u prostoru oko njega. U polju zavojnice K 1 nalazi se isti kalem K 2. Kako možete promijeniti magnetni fluks koji prodire u zavojnicu K 2? Razmotrite sve moguće opcije.
Magnetski fluks koji prodire u kalem K 2 može se promeniti: 1) promenom jačine struje I pomoću reostata; 2) zatvaranje-otvaranje ključa; 3) promena orijentacije zavojnice K 2.
Ako u magnetskom polju postoji zatvoreni provodni krug koji ne sadrži izvore struje, tada kada se magnetsko polje promijeni, u krugu nastaje električna struja. Ova pojava se naziva elektromagnetna indukcija. Pojava struje ukazuje na pojavu električnog polja u kolu koje može osigurati zatvoreno kretanje električnih naboja ili, drugim riječima, pojavu EMF-a. Električno polje, koje nastaje promjenom magnetnog polja i čiji rad nije jednak nuli pri kretanju naboja duž zatvorenog kola, ima zatvorene linije sile i naziva se vrtlog.
Za kvantitativni opis elektromagnetne indukcije, uvodi se koncept magnetskog fluksa (ili vektorskog fluksa magnetske indukcije) kroz zatvoreno kolo. Za ravno kolo koje se nalazi u jednoličnom magnetskom polju (a samo sa takvim situacijama mogu se susresti školarci na jedinstvenom državnom ispitu), magnetni fluks je definiran kao
gdje je indukcija polja, je površina konture, je ugao između vektora indukcije i normale (okomite) na ravan konture (vidi sliku; okomita na ravan konture je prikazana isprekidanom linijom). Jedinica magnetnog fluksa u međunarodnom SI sistemu jedinica je Weber (Wb), koji se definiše kao magnetni tok kroz konturu površine 1 m 2 jednolikog magnetnog polja sa indukcijom od 1 T, okomito na ravan kontura.
Vrijednost EMF indukcije koja se javlja u krugu kada se magnetni tok kroz ovaj krug promijeni jednaka je brzini promjene magnetnog fluksa
|
Ovdje je prikazana promjena magnetskog fluksa kroz krug u malom vremenskom intervalu. Važna osobina zakona elektromagnetne indukcije (23.2) je njegova univerzalnost s obzirom na razloge za promjenu magnetskog fluksa: magnetni tok kroz kolo može se promijeniti zbog promjene indukcije magnetskog polja, promjene površine krug, ili promjena ugla između vektora indukcije i normale, koja se javlja kada se krug rotira u polju. U svim ovim slučajevima, prema zakonu (23.2), u kolu će se pojaviti indukcioni EMF i indukciona struja.
Znak minus u formuli (23.2) je "odgovoran" za smjer struje koja je rezultat elektromagnetne indukcije (Lenzovo pravilo). Međutim, nije tako lako razumjeti jezikom zakona (23.2) do kojeg smjera indukcijske struje će ovaj znak dovesti s ovom ili onom promjenom magnetskog toka kroz strujni krug. Ali dovoljno je lako zapamtiti rezultat: indukcijska struja će biti usmjerena na takav način da će magnetsko polje stvoreno njome "težiti" da kompenzira promjenu vanjskog magnetskog polja koje je stvorilo ovu struju. Na primjer, s povećanjem protoka vanjskog magnetskog polja kroz kolo, u njemu će se pojaviti indukcijska struja, čije će magnetsko polje biti usmjereno suprotno od vanjskog magnetskog polja kako bi se smanjilo vanjsko polje i na taj način održalo originalnu vrijednost magnetnog polja. Sa smanjenjem fluksa polja kroz kolo, indukcijsko strujno polje će biti usmjereno na isti način kao i vanjsko magnetsko polje.
Ako se iz nekog razloga struja promijeni u krugu sa strujom, tada se mijenja i magnetski tok kroz krug magnetskog polja koje stvara sama ova struja. Tada bi, prema zakonu (23.2), u kolu trebalo da se pojavi indukcioni EMF. Fenomen pojave EMF indukcije u određenom električnom kolu kao rezultat promjene struje u samom tom krugu naziva se samoindukcija. Da bi se pronašao EMF samoindukcije u nekom električnom kolu, potrebno je izračunati tok magnetskog polja koje stvara ovaj krug kroz sebe. Takav proračun je težak problem zbog nehomogenosti magnetnog polja. Međutim, jedno svojstvo ovog toka je očigledno. Budući da je magnetsko polje koje stvara struja u kolu proporcionalno veličini struje, tada je magnetni tok vlastitog polja kroz krug proporcionalan struji u ovom kolu
|
gdje je jačina struje u kolu, je faktor proporcionalnosti, koji karakterizira "geometriju" kola, ali ne ovisi o struji u njemu i naziva se induktivitet ovog kola. Jedinica induktivnosti u međunarodnom SI sistemu jedinica je Henry (H). 1 H je definiran kao induktivnost takvog kola, tok indukcije vlastitog magnetskog polja kroz koje je 1 Wb pri jakosti struje od 1 A. Uzimajući u obzir definiciju induktivnosti (23.3) iz zakona elektromagnetne indukcije (23.2), dobijamo za EMF samoindukcije
|
Zbog fenomena samoindukcije, struja u bilo kojem električnom kolu ima određenu "inerciju" i, prema tome, energiju. Zaista, da bi se stvorila struja u krugu, potrebno je obaviti rad da se prevlada EMF samoindukcije. Energija kola sa strujom i jednaka je ovom radu. Potrebno je zapamtiti formulu za energiju kola sa strujom
|
gdje je induktivnost kola, je struja u njemu.
Fenomen elektromagnetne indukcije se široko koristi u tehnici. Zasnovan je na stvaranju električne struje u električnim generatorima i elektranama. Zahvaljujući zakonu elektromagnetne indukcije, mehaničke vibracije se u mikrofonima pretvaraju u električne. Na osnovu zakona elektromagnetne indukcije, posebno radi električni krug, koji se naziva oscilatorni krug (vidi sljedeće poglavlje), a koji je osnova bilo koje radiopredajne ili radio prijemne opreme.
Razmotrite sada zadatke.
Od onih navedenih u zadatak 23.1.1 fenomena, postoji samo jedna posledica zakona elektromagnetne indukcije - pojava struje u prstenu kada se kroz njega prođe trajni magnet (odgovor 3 ). Sve ostalo je rezultat magnetske interakcije struja.
Kao što je naznačeno u uvodu ovog poglavlja, fenomen elektromagnetne indukcije leži u osnovi rada alternatora ( zadatak 23.1.2), tj. uređaj koji stvara naizmjeničnu struju, zadate frekvencije (odgovor 2 ).
Indukcija magnetskog polja stvorenog stalnim magnetom opada sa povećanjem udaljenosti od njega. Stoga, kada se magnet približi prstenu ( zadatak 23.1.3) mijenja se indukcijski tok magnetnog polja magneta kroz prsten, a u prstenu se pojavljuje indukcijska struja. Očigledno, to će se dogoditi kada se magnet približi prstenu sa sjevernim i južnim polom. Ali smjer indukcijske struje u ovim slučajevima bit će drugačiji. To je zbog činjenice da kada magnet priđe prstenu s različitim polovima, polje u ravnini prstena u jednom slučaju će biti usmjereno suprotno polju u drugom. Stoga, da bi se kompenzirale ove promjene u vanjskom polju, magnetsko polje induktivne struje u tim slučajevima mora biti drugačije usmjereno. Stoga će smjerovi indukcijskih struja u prstenu biti suprotni (odgovor je 4 ).
Za nastanak indukcijske EMF u prstenu potrebno je da se magnetski fluks kroz prsten mijenja. A budući da magnetska indukcija magnetnog polja ovisi o udaljenosti do njega, onda u razmatranom slučaju zadatak 23.1.4 U slučaju, protok kroz prsten će se promijeniti, u prstenu će se pojaviti indukciona struja (odgovor je 1
).
Prilikom rotacije okvira 1 ( zadatak 23.1.5) ugao između linija magnetske indukcije (a samim tim i vektora indukcije) i ravnine okvira u bilo kojem trenutku jednak je nuli. Posljedično, magnetski tok kroz okvir 1 se ne mijenja (vidi formulu (23.1)), a u njemu se ne javlja indukcijska struja. U okviru 2 pojavit će se indukcijska struja: u položaju prikazanom na slici, magnetni tok kroz njega je nula, kada se okvir okrene za četvrtinu okreta, bit će jednak , gdje je indukcija, je površina okvira. Nakon još jedne četvrtine okreta, protok će ponovo biti nula, i tako dalje. Stoga se tok magnetne indukcije kroz okvir 2 mijenja tokom njegove rotacije, pa u njemu nastaje indukcijska struja (odgovor je 2 ).
IN zadatak 23.1.6 indukcijska struja se javlja samo u slučaju 2 (odgovor 2
). Zaista, u slučaju 1, okvir ostaje na istoj udaljenosti od vodiča tijekom kretanja, pa se, shodno tome, magnetsko polje koje stvara ovaj provodnik u ravnini okvira ne mijenja. Kada se okvir odmakne od vodiča, magnetska indukcija polja provodnika u području okvira se mijenja, magnetni tok kroz okvir se mijenja i nastaje indukcijska struja
Zakon elektromagnetne indukcije kaže da će induktivna struja u prstenu teći u onim trenucima vremena kada se magnetski tok kroz ovaj prsten mijenja. Stoga, dok magnet miruje u blizini prstena ( zadatak 23.1.7) induktivna struja u prstenu neće teći. Dakle, tačan odgovor za ovaj problem je 2 .
Prema zakonu elektromagnetne indukcije (23.2), indukcijski EMF u okviru je određen brzinom promjene magnetskog fluksa kroz njega. I pošto po uslovu zadaci 23.1.8 indukcija magnetnog polja u području okvira se ravnomjerno mijenja, brzina njegove promjene je konstantna, veličina indukcijske emf se ne mijenja tokom eksperimenta (odgovor je 3 ).
IN zadatak 23.1.9 Indukcijska emf koja se javlja u okviru u drugom slučaju je četiri puta veća od emf indukcije koja se javlja u prvom (odgovor je 4 ). To je zbog četverostrukog povećanja površine okvira i, shodno tome, magnetskog toka kroz njega u drugom slučaju.
IN zadatak 23.1.10 u drugom slučaju, brzina promjene magnetskog fluksa se udvostručuje (indukcija polja se mijenja za isti iznos, ali upola kraće). Stoga je EMF elektromagnetne indukcije koji se javlja u okviru u drugom slučaju dvostruko veći nego u prvom (odgovor je 1 ).
Kada se struja u zatvorenom provodniku udvostruči ( zadatak 23.2.1), vrijednost indukcije magnetskog polja će se povećati u svakoj tački prostora dva puta, bez promjene smjera. Stoga će se magnetni tok kroz bilo koju malu površinu i, shodno tome, cijeli provodnik promijeniti tačno dva puta (odgovor je 1
). Ali omjer magnetskog toka kroz vodič prema struji u ovom vodiču, što je induktivnost vodiča 
, dok se ne mijenja ( zadatak 23.2.2- odgovori 3
).
Koristeći formulu (23.3) nalazimo u zadatak 32.2.3 gn (odgovor 4 ).
Odnos između mjernih jedinica magnetskog fluksa, magnetne indukcije i induktivnosti ( zadatak 23.2.4) proizlazi iz definicije induktivnosti (23.3): jedinica magnetskog fluksa (Wb) jednaka je proizvodu jedinice struje (A) po jedinici induktivnosti (H) - odgovor 3 .
Prema formuli (23.5), uz dvostruko povećanje induktivnosti zavojnice i dvostruko smanjenje struje u njemu ( zadatak 23.2.5) energija magnetskog polja zavojnice će se smanjiti za 2 puta (odgovor 2 ).
Kada se okvir rotira u jednoličnom magnetskom polju, magnetni tok kroz okvir se mijenja zbog promjene ugla između okomice na ravan okvira i vektora magnetnog polja. I budući da u prvom i drugom slučaju u zadatak 23.2.6 ovaj ugao se menja po istom zakonu (prema uslovu, frekvencija rotacije okvira je ista), zatim se EMF indukcije menja po istom zakonu, a samim tim i odnos vrednosti amplitude EMF indukcije u okviru je jednak jedan (odgovor 2 ).
Magnetno polje koje stvara provodnik sa strujom u području okvira ( zadatak 23.2.7), poslano "od nas" (vidi rješenje problema u poglavlju 22). Vrijednost indukcije polja žice u području okvira će se smanjiti kako se udaljava od žice. Stoga indukcijska struja u okviru mora stvoriti magnetsko polje usmjereno unutar okvira "daleko od nas". Sada koristeći pravilo gimleta da pronađemo smjer magnetske indukcije, zaključujemo da će struja indukcije u petlji biti usmjerena u smjeru kazaljke na satu (odgovor je 1 ).
S povećanjem struje u žici, magnetsko polje stvoreno njime će se povećati i u okviru će se pojaviti indukcijska struja ( zadatak 23.2.8). Kao rezultat, doći će do interakcije indukcijske struje u petlji i struje u vodiču. Da biste pronašli smjer ove interakcije (privlačenje ili odbijanje), možete pronaći smjer indukcijske struje, a zatim, koristeći Amperovu formulu, silu interakcije između okvira i žice. Ali možete to učiniti drugačije, koristeći Lenzovo pravilo. Sve induktivne pojave moraju imati takav smjer da kompenziraju uzrok koji ih uzrokuje. A budući da je razlog povećanje struje u petlji, sila interakcije između induktivne struje i žice trebala bi težiti smanjenju magnetskog toka polja žice kroz petlju. A budući da se magnetna indukcija polja žice smanjuje sa povećanjem udaljenosti do njega, ova sila će odbiti okvir od žice (odgovor 2 ). Ako bi se struja u žici smanjila, tada bi okvir bio privučen žicom.
Zadatak 23.2.9 takođe vezano za pravac indukcionih pojava i Lenzovo pravilo. Kada se magnet približi provodnom prstenu, u njemu će se pojaviti indukcijska struja, čiji će smjer biti takav da kompenzira uzrok koji ga uzrokuje. A pošto je ovaj razlog približavanje magneta, prsten će se odbiti od njega (odgovor 2 ). Ako se magnet odmakne od prstena, tada bi iz istih razloga došlo do privlačenja prstena prema magnetu.
Zadatak 23.2.10 je jedini računski problem u ovom poglavlju. Da biste pronašli EMF indukcije, morate pronaći promjenu magnetskog fluksa kroz krug 
. To se može uraditi ovako. Neka je u nekom trenutku skakač bio u položaju prikazanom na slici i neka prođe mali vremenski interval. Tokom ovog vremenskog intervala, skakač će se pomjeriti za vrijednost . Ovo će povećati površinu konture 
po iznosu 
. Stoga će promjena magnetskog fluksa kroz kolo biti jednaka, a veličina indukcijske emf 
(odgovor 4
).
U lekciji ćemo naučiti o novom konceptu za nas - magnetnom toku - i razmotriti kako se on karakterizira.
Podsjetimo da kada se parametri magnetskog polja promijene u blizini zatvorenog vodiča, u njemu nastaje struja. Ova struja se naziva struja indukcije, a fenomen je fenomen elektromagnetne indukcije.
Međutim, ostaje pitanje koji su nam specifični parametri magnetnog polja potrebni da bismo dobili ovaj efekat. Počnimo s eksperimentom:
Da bismo to izvršili, trebamo: zavojnicu s velikim brojem zavoja i ampermetar spojen na nju. Tokom eksperimenta obratite pažnju na ponašanje igle ampermetra (slika 1).
Rice. 1. Faradejevi eksperimenti
Kao što vidimo, prilikom spuštanja i uklanjanja šipkastog magneta iz zavojnice, u njemu se formira indukcijska struja.
Analizirajmo koja je promjena parametra dovela do uočenog efekta. Kako se magnet približava i udaljava od zavojnice, jačina magnetskog polja u njemu se mijenja.
Dakle, vrijednost koja utječe na formiranje indukcijske struje u zavojnici je jačina magnetskog polja.
Podsjetimo da se opisuje takvom veličinom kao što je magnetna indukcija. To je vektor i označava se i mjeri u T.
Zatvoreni žičani prsten postavljen okomito na magnetsko polje komprimuje se sa više strana tako da menja svoj oblik (slika 2).
Rice. 2. Ilustracija za iskustvo
U ovom slučaju, tokom procesa deformacije, u prstenu se pojavljuje indukcijska struja. Šta smo ovog puta promijenili?
Sada je promijenjena površina prstena. Naravno, umjesto prstena, možete eksperimentirati sa bilo kojim zatvorenim vodičem.
Kolo je zatvoreni provodnik (slika 3).
Rice. 3. Kontura
Rice. 4. Generator
Njegovi glavni elementi su (slika 4):
- zavojnica koja se može rotirati oko svoje ose;
- permanentni magnet oko zavojnice.
Kada se zavojnica rotira u magnetnom polju, možete vidjeti da sijalica svijetli (tj., u kolu se pojavljuje indukcijska struja).
Iz ovog iskustva možemo zaključiti da se fenomen elektromagnetne indukcije manifestira i kada se zavojnica ili provodni okvir rotiraju u magnetskom polju (slika 5), tj. kada je ugao između magnetnih linija i ravni provodnika promjene.
Rice. 5. Ilustracija za iskustvo
Sva tri parametra, čije promjene utječu na veličinu indukcijske struje, objedinjuje fizička veličina koja se naziva magnetni fluks.
IN - modul magnetne indukcije polja
S- područje konture
Karakterizira položaj ravnine konture u odnosu na magnetsku liniju.
Magnetski fluks se mjeri u Weberu (Wb) i označava slovom F.
Dakle, magnetski tok je proporcionalan modulu magnetske indukcije polja, površini kruga i ovisi o položaju ravnine kruga u odnosu na magnetsku liniju.
Zadatak analize parametara magnetskog fluksa
Da biste naučili kako izvući zaključke o promjeni magnetskog fluksa u elementima različitih električnih kola, što može dovesti do prisutnosti neželjenih indukcijskih struja, razmotrite problem.
Žičani namotaj sa čeličnom jezgrom serijski je spojen na DC kolo sa reostatom i ključem (slika 6).
Rice. 6. Ilustracija za problem
Električna struja koja teče kroz grane zavojnice stvara magnetsko polje u prostoru oko njega (slika 7). U polju zavojnice je ista zavojnica.
Rice. 7. Ilustracija za problem
Kako možete promijeniti magnetni fluks koji prodire u zavojnicu? Razmotrite sve moguće opcije.
Podsjetimo koja promjena parametara dovodi do promjene magnetskog fluksa.
Počnimo sa promjenom indukcije magnetskog polja zavojnice.To se može postići promjenom jačine struje koja stvara njegovo magnetsko polje. Struju u prikazanom kolu možete promijeniti na 2 načina:
1. Pomicanje klizača reostata
2. Taster za uključivanje/isključivanje
Vrijedi napomenuti da će promjena trenutne vrijednosti biti najveća od maksimuma do nule, što će dovesti do najveće promjene magnetskog toka u zavojnici.
Sljedeći parametar, čija će promjena utjecati na vrijednost magnetskog fluksa, je površina kruga. U našem slučaju, zavojnice Ali ne možemo promijeniti površinu poprečnog presjeka zavojnice. Stoga je opcija isključena.
Posljednja opcija za promjenu magnetnog fluksa je rotacija zavojnice u odnosu na magnetske linije zavojnice. Da bi se postigao maksimalni rezultat promjene, potrebno je zavojnicu okrenuti za 90 (slika 8).
Rice. 8. Ilustracija za problem
Šta se opisuje magnetnim fluksom?
Kao što smo već napomenuli, zavisi od:
- Od jačine magnetnog polja
- Iz područja konture kroz koju prolaze ove magnetne linije
- Od ugla lokacije između konture i magnetnih linija
dakle, magnetni fluks karakterizira broj magnetnih linija koje prodiru kroz ograničenu konturu.
Ovo je lako provjeriti.
1. Uporedimo broj linija koje prelaze istu konturu, ali u magnetnim poljima različite jačine (slika 9).
U jačem polju, obris seče kroz više linija.
Rice. 9. Ilustracija za problem
2. Ako uporedimo broj linija koje u istom uniformnom magnetnom polju prodiru u konture različite površine, onda ih je očigledno više kroz veću konturu (slika 10).
Rice. 10. Ilustracija za problem
3. Ako uporedimo rotaciju konture u magnetskom polju pod kutom s magnetskim linijama i njegovu lokaciju duž linija, tada će u prvom slučaju njihov broj kroz ravninu konture biti maksimalan. A u drugom, magnetske linije će kliziti duž konture i uopće neće prodrijeti u nju (slika 11).
U ovim primjerima, veći broj linija kroz kolo odgovara većem magnetskom toku.
Kao rezultat toga, napominjemo da, budući da veličina indukcijske struje ovisi o promjeni magnetske indukcije, površine kruga i o njegovoj orijentaciji u prostoru, uobičajeno je reći da ovisi o promjenama u magnetni tok.
Osim toga, Faradejevi eksperimenti su pokazali da je brzina promjene magnetnog fluksa važna. Što brže mijenjate ove vrijednosti, to će biti veća vrijednost indukcijske struje.
Dakle, može se tvrditi da je fenomen elektromagnetne indukcije karakteriziran brzinom promjene magnetskog fluksa.
Zadatak određivanja uslova za nastanak indukcione struje
Da bismo razumjeli odnos između magnetskog toka kroz krug i fenomena elektromagnetne indukcije u njemu, razmotrimo problem:
Mala zavojnica se pomiče naprijed u jednoličnom magnetskom polju. Postoji li indukovana struja u zavojnici? Obrazložite odgovor.
Rice. 12. Ilustracija za problem
Može se činiti da zbog kretanja zavojnice može doći do promjena, čija će posljedica biti pojava indukcijske struje u njenim zavojima (slika 12).
Podsjetimo da je preduvjet za pojavu indukcijske struje promjena magnetskog toka kroz zavoje zavojnice. To zahtijeva promjenu magnetske indukcije kroz krug zavojnice. Ono što se ne posmatra, jer je po uslovu polje homogeno.
Osim toga, moguće je promijeniti površinu poprečnog presjeka zavojnice, što se također ne primjećuje.
Posljednja moguća opcija je promjena kuta rotacije ravnine zavojnice na linije magnetskog polja, što se, očito, također ne događa, jer je kretanje translatorno, što znači da se ne primjećuju rotacije zavojnice.
Stoga zaključujemo da se magnetni tok neće promijeniti, odnosno da se neće formirati indukcijska struja u zavojima zavojnice.
Poređenje magnetnog fluksa sa protokom vode
Naziv nove fizičke veličine magnetskog fluksa koji smo proučavali nije slučajno. Činjenica je da se magnetni tok kroz krug može uporediti sa protokom vode kroz prsten koji je postavljen u cijev (slika 13). (1)
Što je veća brzina vode, to više prolazi kroz prsten u jedinici vremena. (2)
Što je veća površina prstena, to će više vode proći kroz njega u posmatranom vremenu. (3)
Ako se prsten rotira kada je poprečno na tok vode, maksimalna količina vode će teći kroz ravan prstena. (4)
Ako ga počnete okretati pod oštrim uglom u odnosu na tok, tada će teći sve manje vode. (5)
Rice. 13. Poređenje magnetnog fluksa sa protokom vode
A kada se okreće duž izliva, voda uopće neće proći kroz prsten, već će kliziti duž njega. (6)
Razmotrili smo slična svojstva za magnetni tok.
U lekciji smo objasnili koji parametri magnetnog polja i kola moraju biti promenjeni da bi se posmatrao fenomen elektromagnetne indukcije. Ovo smo kombinovali u koncept "magnetnog toka".
Bibliografija
- Aksenovich L. A. Fizika u srednjoj školi: teorija. Zadaci. Testovi: Proc. dodatak za institucije koje pružaju op. okruženja, obrazovanje.
- Yavorsky B.M., Pinsky A.A., Osnove fizike, v.2., - M. Fizmatlit., 2003.
- Osnovni udžbenik fizike. Ed. G.S. Landsberg, T. 3. - M., 1974.
- Festival.1september.ru ().
- Nvtc.ee ().
- Slas-fizika.narod.ru ().
Zadaća
- Što određuje magnetski tok koji prodire u područje ravnog kola smještenog u jednolično magnetsko polje?
- Kako se mijenja magnetni tok s povećanjem magnetske indukcije za n puta, ako se ni površina ni orijentacija kola ne mijenjaju?
- Da li se magnetski tok mijenja takvom rotacijom kola, kada linije magnetske indukcije tada prodiru kroz njega. zatim klizi duž njegove ravni?
