Vztah mezi elektrickým a magnetickým polem byl pozorován již velmi dlouho. Toto spojení objevil v 19. století anglický fyzik Faraday a dal mu jméno. Objevuje se v okamžiku, kdy magnetický tok proniká povrchem uzavřeného okruhu. Po určité době změny magnetického toku se v tomto obvodu objeví elektrický proud.
Vztah elektromagnetické indukce a magnetického toku
Podstatu magnetického toku znázorňuje známý vzorec: Ф = BS cos α. V něm je F magnetický tok, S je povrch obrysu (plocha), B je vektor magnetické indukce. Úhel α je vytvořen v důsledku směru vektoru magnetické indukce a normály k povrchu obrysu. Z toho vyplývá, že magnetický tok dosáhne maximálního prahu při cos α = 1 a minimálního prahu při cos α = 0.
Ve druhé variantě bude vektor B kolmý na normálu. Ukazuje se, že čáry proudění neprotínají obrys, ale pouze kloužou po jeho rovině. Proto budou charakteristiky určeny čarami vektoru B, které protínají povrch obrysu. Pro výpočet se Weber používá jako měrná jednotka: 1 wb \u003d 1v x 1s (volt-sekunda). Další, menší měrnou jednotkou je maxwell (µs). Je to: 1 wb \u003d 108 μs, tedy 1 μs \u003d 10-8 wb.
Pro výzkum Faradaye byly použity dvě drátěné spirály, izolované od sebe a umístěné na dřevěné cívce. Jeden z nich byl připojen ke zdroji energie a druhý ke galvanometru určenému pro záznam malých proudů. V tu chvíli, kdy se obvod původní spirály uzavřel a rozevřel, v druhém okruhu se vychýlila šipka měřícího zařízení.
Provádění výzkumu fenoménu indukce
V první sérii experimentů Michael Faraday vložil zmagnetizovanou kovovou tyč do cívky připojené k proudu a poté ji vytáhl (obr. 1, 2).
1 
2 
Po umístění magnetu do cívky připojené k měřicímu zařízení začne obvodem protékat indukční proud. Pokud je magnetická tyč sejmuta z cívky, indukční proud se stále objevuje, ale jeho směr je již obrácený. V důsledku toho se parametry indukčního proudu budou měnit ve směru tyče a v závislosti na pólu, se kterým je umístěn v cívce. Síla proudu je ovlivněna rychlostí pohybu magnetu.
Ve druhé sérii experimentů se potvrzuje jev, kdy měnící se proud v jedné cívce způsobí indukční proud v jiné cívce (obr. 3, 4, 5). To se děje v okamžicích uzavírání a otevírání okruhu. Směr proudu bude záviset na tom, zda se elektrický obvod uzavírá nebo otevírá. Navíc tyto akce nejsou ničím jiným než způsoby, jak změnit magnetický tok. Když je obvod uzavřen, zvýší se a když se otevře, sníží se a současně pronikne do první cívky.
3 
4 
5 
Výsledkem experimentů bylo zjištěno, že výskyt elektrického proudu uvnitř uzavřeného vodivého obvodu je možný pouze tehdy, když jsou umístěny ve střídavém magnetickém poli. Tok se přitom může měnit v čase jakýmikoli prostředky.
Elektrický proud, který se objeví pod vlivem elektromagnetické indukce, se nazývá indukce, i když to nebude proud v konvenčním smyslu. Když je uzavřený obvod v magnetickém poli, generuje se EMF s přesnou hodnotou a ne s proudem v závislosti na různých odporech.
Tento jev se nazývá EMF indukce, což se odráží ve vzorci: Eind = - ∆F / ∆t. Jeho hodnota se shoduje s rychlostí změny magnetického toku pronikajícího povrchem uzavřené smyčky, bráno se zápornou hodnotou. Mínus přítomný v tomto výrazu je odrazem Lenzova pravidla.
Lenzovo pravidlo pro magnetický tok
Známé pravidlo bylo odvozeno po řadě studií ve 30. letech 19. století. Je formulován následujícím způsobem:
Směr indukčního proudu, buzeného v uzavřeném obvodu měnícím se magnetickým tokem, ovlivňuje magnetické pole, které vytváří, takovým způsobem, že vytváří překážku magnetickému toku, která způsobuje vznik indukčního proudu.
Když se magnetický tok zvýší, to znamená, že se stane Ф > 0, a indukční EMF se sníží a stane se 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.
Pokud se průtok sníží, dojde k opačnému procesu, když F< 0 и Еинд >0, tedy působením magnetického pole indukčního proudu, dochází ke zvýšení magnetického toku procházejícího obvodem.
Fyzikální význam Lenzova pravidla spočívá v odrážení zákona zachování energie, kdy když jedna veličina klesá, druhá se zvětšuje, a naopak, když jedna veličina vzrůstá, druhá se snižuje. Různé faktory také ovlivňují indukční emf. Když je do cívky střídavě vkládán silný a slabý magnet, zařízení bude v prvním případě ukazovat vyšší hodnotu a ve druhém nižší hodnotu. Totéž se stane, když se změní rychlost magnetu.
Obrázek níže ukazuje, jak je směr indukčního proudu určen pomocí Lenzova pravidla. Modrá barva odpovídá siločárám magnetických polí indukčního proudu a permanentního magnetu. Jsou umístěny ve směru severojižních pólů, které jsou přítomny v každém magnetu.
Měnící se magnetický tok vede ke vzniku indukčního elektrického proudu, jehož směr způsobuje opozici jeho magnetického pole, která zabraňuje změnám magnetického toku. V tomto ohledu jsou siločáry magnetického pole cívky směrovány ve směru opačném k siločarám permanentního magnetu, protože jeho pohyb nastává ve směru této cívky.
Pro určení směru proudu se používá s pravým závitem. Musí být zašroubován tak, aby směr jeho dopředného pohybu souhlasil se směrem indukčních čar cívky. V tomto případě se směry indukčního proudu a otáčení rukojeti gimletu budou shodovat.
Elektrický A magnetické pole jsou generovány stejnými zdroji – elektrickými náboji, takže můžeme předpokládat, že mezi těmito poli existuje určitá souvislost. Tento předpoklad našel experimentální potvrzení v roce 1831 v experimentech vynikajícího anglického fyzika M. Faradaye. Otevřel jev elektromagnetické indukce.
Fenomén elektromagnetické indukce je základem provozu indukčních generátorů elektrického proudu, které tvoří veškerou elektřinu vyrobenou na světě.
- magnetický tok
Kvantitativní charakteristikou procesu změny magnetického pole uzavřenou smyčkou je fyzikální veličina tzv magnetický tok. Magnetický tok (F) skrz oblast uzavřené smyčky (S) je fyzikální veličina rovna součinu modulu vektoru magnetické indukce (B) plochou smyčky (S) a kosinu úhlu. mezivektor B a kolmo k povrchu: Φ = BS cos α. Jednotkou magnetického toku je F - weber (Wb): 1 Wb \u003d 1 T 1 m 2.
kolmý maximum.
Pokud vektor magnetické indukce paralelní oblast obrysu, pak magnetický tok rovná se nule.
- Zákon elektromagnetické indukce
Empiricky byl stanoven zákon elektromagnetické indukce: EMF indukce v uzavřeném obvodu se v absolutní hodnotě rovná rychlosti změny magnetického toku povrchem ohraničeným obvodem: Tento vzorec je tzv. Faradayův zákon .
Faradayův první experiment je klasickou demonstrací základního zákona elektromagnetické indukce. V něm platí, že čím rychleji se magnet pohybuje závity cívky, tím více se v něm objevuje indukční proud, a tím i indukční EMF.
- Lenzovo pravidlo
Závislost směru indukčního proudu na charakteru změny magnetického pole uzavřeným obvodem v roce 1833 experimentálně stanovil ruský fyzik E.Kh.Lenz. Podle Lenzovo pravidlo , vznikající v uzavřeném obvodu, indukční proud svým magnetickým polem působí proti změně magnetického toku, který volal. Stručně řečeno, toto pravidlo lze formulovat takto: indukovaný proud je směrován tak, aby se zabránilo důvod, který to způsobuje. Lenzovo pravidlo odráží experimentální fakt, že mají vždy opačná znaménka (znaménko mínus Faradayova formule).
Lenz navrhl zařízení sestávající ze dvou hliníkových kroužků, plných a řezaných, namontovaných na hliníkové příčce. Mohly se otáčet kolem osy, jako vahadlo. Když byl magnet zaveden do pevného prstence, začal "utíkat" od magnetu a podle toho otáčel kolébkou. Při vyndávání magnetu z prstenu se snažil magnet "dohnat". Když se magnet pohyboval uvnitř řezaného kroužku, nedošlo k žádnému pohybu. Lenz vysvětlil experiment tím, že magnetické pole indukčního proudu se snažilo kompenzovat změnu vnějšího magnetického toku.
Lenzovo pravidlo má hluboký fyzikální význam – vyjadřuje zákon zachování energie.
Otázky.
1. Co určuje magnetický tok pronikající oblastí plochého obvodu umístěného v rovnoměrném magnetickém poli?
Z vektoru magnetické indukce B, oblasti obrysu S a jeho orientace.
2. Jak se změní magnetický tok při zvýšení magnetické indukce faktorem n, pokud se nemění plocha ani orientace obvodu?
Zvýší se n krát.
3. Při jaké orientaci obvodu vzhledem k čarám magnetické indukce je magnetický tok pronikající oblastí tohoto obvodu maximum? rovna nule?
Magnetický tok je maximální, je-li rovina obrysu kolmá k čarám magnetické indukce, a je-li rovnoběžná, je nulová.
4. Mění se magnetický tok při takové rotaci obvodu, kdy jím pak pronikají čáry magnetické indukce. pak sklouznout po jeho rovině?
Ano. V případě, že se změní úhel sklonu magnetických čar vůči rovině obvodu, změní se i magnetický tok.
Cvičení.
1. Cívka drátu K s ocelovým jádrem je zapojena do obvodu zdroje stejnosměrného proudu v sérii s reostatem R a klíčem K (obr. 125). Elektrický proud protékající závity cívky K 1 vytváří v prostoru kolem ní magnetické pole. V poli cívky K 1 je stejná cívka K 2. Jak můžete změnit magnetický tok pronikající cívkou K 2? Zvažte všechny možné možnosti.
Magnetický tok pronikající cívkou K 2 lze měnit: 1) změnou síly proudu I pomocí reostatu; 2) zavření-otevření klíče; 3) změna orientace cívky K2.
Pokud je v magnetickém poli uzavřený vodivý obvod, který neobsahuje zdroje proudu, pak při změně magnetického pole vzniká v obvodu elektrický proud. Tento jev se nazývá elektromagnetická indukce. Vzhled proudu indikuje výskyt elektrického pole v obvodu, které může zajistit uzavřený pohyb elektrických nábojů nebo jinými slovy výskyt EMF. Elektrické pole, které vzniká při změně magnetického pole a jehož práce není při pohybu nábojů po uzavřeném okruhu rovna nule, má uzavřené siločáry a nazývá se vír.
Pro kvantitativní popis elektromagnetické indukce je zaveden pojem magnetického toku (nebo magnetického indukčního vektorového toku) uzavřenou smyčkou. Pro plochý obvod umístěný v rovnoměrném magnetickém poli (a jen s takovými situacemi se mohou školáci setkat u jednotné státní zkoušky) je magnetický tok definován jako
kde je indukce pole, je plocha obrysu, je úhel mezi vektorem indukce a normálou (kolmicí) k rovině vrstevnice (viz obrázek; kolmice na rovinu vrstevnice je znázorněna tečkovanou čarou). Jednotkou magnetického toku v mezinárodní soustavě jednotek SI je Weber (Wb), který je definován jako magnetický tok obrysem plochy 1 m 2 rovnoměrného magnetického pole s indukcí 1 T, kolmý k rovině obrys.
Hodnota EMF indukce, ke které v obvodu dochází, když se magnetický tok tímto obvodem mění, je rovna rychlosti změny magnetického toku
|
Zde je změna magnetického toku obvodem během malého časového intervalu. Důležitou vlastností zákona elektromagnetické indukce (23.2) je jeho univerzálnost s ohledem na důvody změny magnetického toku: magnetický tok obvodem se může měnit v důsledku změny indukce magnetického pole, změny oblasti magnetického toku. obvodu nebo změna úhlu mezi indukčním vektorem a normálou, ke které dochází, když se obvod otáčí v poli. Ve všech těchto případech se podle zákona (23.2) v obvodu objeví indukční EMF a indukční proud.
Znaménko minus ve vzorci (23.2) je "zodpovědné" za směr proudu vyplývajícího z elektromagnetické indukce (Lenzovo pravidlo). Není však tak snadné v řeči zákona (23.2) pochopit, ke kterému směru indukčního proudu toto znaménko povede s tou či onou změnou magnetického toku obvodem. Ale je snadné si zapamatovat výsledek: indukční proud bude nasměrován tak, že jím vytvořené magnetické pole bude mít „sklon“ kompenzovat změnu vnějšího magnetického pole, které tento proud generovalo. Například se zvýšením toku vnějšího magnetického pole obvodem se v něm objeví indukční proud, jehož magnetické pole bude nasměrováno opačně k vnějšímu magnetickému poli tak, aby se vnější pole zmenšilo a tím udrželo původní hodnotu magnetického pole. S poklesem toku pole obvodem bude pole indukčního proudu směrováno stejným způsobem jako vnější magnetické pole.
Pokud se z nějakého důvodu změní proud v obvodu s proudem, změní se i magnetický tok obvodem magnetického pole, které je vytvářeno tímto samotným proudem. Pak by se podle zákona (23.2) mělo v obvodu objevit indukční EMF. Jev výskytu EMF indukce v určitém elektrickém obvodu v důsledku změny proudu v tomto samotném obvodu se nazývá samoindukce. K nalezení EMF samoindukce v nějakém elektrickém obvodu je nutné vypočítat tok magnetického pole vytvořeného tímto obvodem skrz něj. Takový výpočet je obtížný problém kvůli nehomogenitě magnetického pole. Jedna vlastnost tohoto toku je však zřejmá. Protože magnetické pole vytvořené proudem v obvodu je úměrné velikosti proudu, pak je magnetický tok vlastního pole obvodem úměrný proudu v tomto obvodu.
|
kde je síla proudu v obvodu, je faktor úměrnosti, který charakterizuje "geometrii" obvodu, ale nezávisí na proudu v něm a nazývá se indukčnost tohoto obvodu. Jednotkou indukčnosti v mezinárodní soustavě jednotek SI je Henry (H). 1 H je definována jako indukčnost takového obvodu, tok indukce vlastního magnetického pole, kterým je 1 Wb při proudové síle 1 A. S přihlédnutím k definici indukčnosti (23.3) ze zákona elektromagnetické indukce (23.2), získáme pro EMF samoindukce
|
V důsledku jevu samoindukce má proud v jakémkoli elektrickém obvodu určitou „setrvačnost“, a tedy i energii. Pro vytvoření proudu v obvodu je skutečně nutné vykonat práci na překonání samoindukčního EMF. Energie obvodu s proudem a je rovna této práci. Je nutné si zapamatovat vzorec pro energii obvodu s proudem
|
kde je indukčnost obvodu, je proud v něm.
Fenomén elektromagnetické indukce je v technice široce využíván. Je založen na vytváření elektrického proudu v elektrických generátorech a elektrárnách. Díky zákonu elektromagnetické indukce se mechanické vibrace v mikrofonech přeměňují na vibrace elektrické. Na základě zákona elektromagnetické indukce funguje zejména elektrický obvod, který se nazývá oscilační obvod (viz další kapitola), a který je základem každého rádiového vysílacího nebo rádiového přijímacího zařízení.
Zvažte nyní úkoly.
Z těch uvedených v úkol 23.1.1 jev, existuje pouze jeden důsledek zákona elektromagnetické indukce - výskyt proudu v prstenci, když jím prochází permanentní magnet (odpověď 3 ). Vše ostatní je výsledkem magnetické interakce proudů.
Jak je uvedeno v úvodu této kapitoly, jev elektromagnetické indukce je základem činnosti alternátoru ( úkol 23.1.2), tj. zařízení, které vytváří střídavý proud, daná frekvence (odpověď 2 ).
Indukce magnetického pole vytvářeného permanentním magnetem klesá s rostoucí vzdáleností od něj. Proto, když se magnet přiblíží k prstenu ( úkol 23.1.3) se změní indukční tok magnetického pole magnetu prstencem a v prstenci se objeví indukční proud. Je zřejmé, že k tomu dojde, když se magnet přiblíží k prstenci se severním i jižním pólem. Ale směr indukčního proudu v těchto případech bude jiný. To je způsobeno skutečností, že když se magnet přiblíží k prstenci s různými póly, pole v rovině prstence v jednom případě bude směřovat opačně než pole v druhém. Aby se tedy tyto změny ve vnějším poli kompenzovaly, musí být v těchto případech magnetické pole indukčního proudu nasměrováno jinak. Proto budou směry indukčních proudů v prstenci opačné (odpověď je 4 ).
Pro vznik indukce EMF v prstenci je nutné, aby se magnetický tok prstencem změnil. A protože magnetická indukce magnetického pole závisí na vzdálenosti k němu, pak v uvažovaném případě úkol 23.1.4 V případě, že se průtok prstencem změní, v prstenci se objeví indukční proud (odpověď je 1
).
Při otáčení rámu 1 ( úkol 23.1.5) úhel mezi čarami magnetické indukce (a tedy i indukčním vektorem) a rovinou rámu je v každém okamžiku roven nule. V důsledku toho se magnetický tok rámem 1 nemění (viz vzorec (23.1)) a nevyskytuje se v něm indukční proud. V rámu 2 vznikne indukční proud: v poloze znázorněné na obrázku je magnetický tok skrz něj nulový, když se rám otočí o čtvrt otáčky, bude se rovnat , kde je indukce, je plocha rámu. Po další čtvrtině otáčky bude průtok opět nulový a tak dále. Proto se tok magnetické indukce rámem 2 během jeho otáčení mění, proto v něm vzniká indukční proud (odpověď je 2 ).
V úkol 23.1.6 indukční proud se vyskytuje pouze v případě 2 (odpověď 2
). Ve skutečnosti v případě 1 zůstává rám během pohybu ve stejné vzdálenosti od vodiče a v důsledku toho se magnetické pole vytvořené tímto vodičem v rovině rámu nemění. Když se rám oddálí od vodiče, změní se magnetická indukce pole vodiče v oblasti rámu, změní se magnetický tok rámem a vznikne indukční proud.
Zákon elektromagnetické indukce říká, že indukční proud v prstenci poteče v takových okamžicích, kdy se magnetický tok tímto prstencem změní. Proto, když je magnet v klidu blízko prstence ( úkol 23.1.7) indukční proud v prstenci nepoteče. Takže správná odpověď na tento problém je 2 .
Podle zákona elektromagnetické indukce (23.2) je indukční EMF v rámu určeno rychlostí změny magnetického toku skrz něj. A protože podle podmínek úkoly 23.1.8 indukce magnetického pole v oblasti rámu se mění rovnoměrně, rychlost jeho změny je konstantní, velikost indukčního emf se během experimentu nemění (odpověď je 3 ).
V úkol 23.1.9 Indukční emf, který se vyskytuje v rámci v druhém případě, je čtyřikrát větší než indukční emf, který se vyskytuje v prvním případě (odpověď je 4 ). To je způsobeno čtyřnásobným zvětšením plochy rámu a tím i magnetického toku skrz něj ve druhém případě.
V úkol 23.1.10 ve druhém případě se rychlost změny magnetického toku zdvojnásobí (indukce pole se změní o stejnou hodnotu, ale za poloviční čas). Proto je EMF elektromagnetické indukce, která se vyskytuje v rámu v druhém případě, dvakrát větší než v prvním (odpověď je 1 ).
Když se proud v uzavřeném vodiči zdvojnásobí ( úkol 23.2.1), hodnota indukce magnetického pole vzroste v každém bodě prostoru dvakrát, aniž by se změnil směr. Proto se magnetický tok přes jakoukoli malou oblast, a tedy i celý vodič, změní přesně dvakrát (odpověď je 1
). Ale poměr magnetického toku vodičem k proudu v tomto vodiči, což je indukčnost vodiče 
, přičemž se nemění ( úkol 23.2.2- Odpovědět 3
).
Pomocí vzorce (23.3) najdeme v úkol 32.2.3 gn (odpověď 4 ).
Vztah mezi jednotkami měření magnetického toku, magnetické indukce a indukčnosti ( úkol 23.2.4) vyplývá z definice indukčnosti (23.3): jednotka magnetického toku (Wb) se rovná součinu jednotky proudu (A) na jednotku indukčnosti (H) - odpověď 3 .
Podle vzorce (23.5) s dvojnásobným zvýšením indukčnosti cívky a dvojnásobným poklesem proudu v ní ( úkol 23.2.5) energie magnetického pole cívky se sníží 2krát (odpověď 2 ).
Když se rám otáčí v rovnoměrném magnetickém poli, magnetický tok rámem se mění v důsledku změny úhlu mezi kolmicí k rovině rámu a vektorem magnetického pole. A jelikož v prvním a druhém případě v úkol 23.2.6 tento úhel se mění podle stejného zákona (podle podmínky je frekvence otáčení rámů stejná), pak se EMF indukce mění podle stejného zákona, a proto se poměr hodnot amplitudy EMF indukce v rámci se rovná jedné (odpověď 2 ).
Magnetické pole vytvořené vodičem s proudem v oblasti rámu ( úkol 23.2.7), zaslané „od nás“ (viz řešení problémů v kapitole 22). Hodnota indukce drátového pole v oblasti rámu se bude snižovat, jak se bude vzdalovat od drátu. Indukční proud v rámu proto musí vytvářet magnetické pole nasměrované dovnitř rámu „pryč od nás“. Nyní pomocí gimletova pravidla k nalezení směru magnetické indukce dojdeme k závěru, že indukční proud ve smyčce bude směrován ve směru hodinových ručiček (odpověď je 1 ).
S nárůstem proudu v drátu se zvětší jím vytvořené magnetické pole a v rámu se objeví indukční proud ( úkol 23.2.8). V důsledku toho dojde k interakci indukčního proudu ve smyčce a proudu ve vodiči. Chcete-li najít směr této interakce (přitahování nebo odpuzování), můžete najít směr indukčního proudu a poté pomocí vzorce Ampère sílu interakce mezi rámem a drátem. Ale můžete to udělat jinak, pomocí pravidla Lenz. Všechny indukční jevy musí mít takový směr, aby kompenzovaly příčinu, která je způsobuje. A protože důvodem je zvýšení proudu ve smyčce, síla interakce mezi indukčním proudem a drátem by měla mít tendenci snižovat magnetický tok drátového pole smyčkou. A protože magnetická indukce drátového pole s rostoucí vzdáleností k němu klesá, tato síla odpudí rám od drátu (odpověď 2 ). Pokud by se proud v drátu snížil, rám by byl přitahován k drátu.
Úkol 23.2.9 souvisí i se směrem indukčních jevů a Lenzovým pravidlem. Když se magnet přiblíží k vodivému prstenci, objeví se v něm indukční proud a jeho směr bude takový, aby kompenzoval příčinu, která jej způsobuje. A protože tímto důvodem je přiblížení magnetu, prsten se od něj odrazí (odpověď 2 ). Pokud se magnet od prstenu oddálí, pak ze stejných důvodů dojde k přitahování prstenu k magnetu.
Úkol 23.2.10 je jediným výpočetním problémem v této kapitole. Chcete-li najít EMF indukce, musíte najít změnu magnetického toku obvodem 
. Dá se to udělat takto. Nechte v určitém okamžiku propojku v poloze znázorněné na obrázku a nechte uplynout malý časový interval. Během tohoto časového intervalu se propojka posune o hodnotu . Tím se zvětší plocha obrysu 
podle částky 
. Proto bude změna magnetického toku obvodem stejná a velikost indukčního emf 
(Odpovědět 4
).
V lekci se seznámíme s pro nás novým pojmem – magnetickým tokem – a zamyslíme se nad tím, jak je charakterizován.
Připomeňme, že při změně parametrů magnetického pole v blízkosti uzavřeného vodiče v něm vzniká proud. Tento proud se nazývá indukční proud a jevem je jev elektromagnetické indukce.
Otázkou však zůstává, jaké konkrétní parametry magnetického pole potřebujeme, abychom tohoto efektu dosáhli. Začněme experimentem:
K jeho provedení potřebujeme: cívku s velkým počtem závitů a k ní připojený ampérmetr. Při experimentu věnujte pozornost chování jehly ampérmetru (obr. 1).
Rýže. 1. Faradayovy pokusy
Jak vidíme, při spouštění a vyjímání tyčového magnetu z cívky v něm vzniká indukční proud.
Analyzujme, která změna parametru vedla k pozorovanému efektu. Jak se magnet přibližuje a vzdaluje od cívky, mění se síla magnetického pole v něm.
Hodnota, která ovlivňuje vznik indukčního proudu v cívce, je tedy síla magnetického pole.
Připomeňme, že je popsána takovou veličinou jako magnetická indukce. Je to vektor a je označen a měřen v T.
Uzavřený drátěný prstenec umístěný kolmo k magnetickému poli je z několika stran stlačen tak, že změní svůj tvar (obr. 2).
Rýže. 2. Ilustrace pro zkušenost
V tomto případě se během procesu deformace v prstenci objeví indukční proud. Co jsme změnili tentokrát?
Nyní byla oblast prstenu změněna. Samozřejmě místo prstenu můžete experimentovat s jakýmkoli uzavřeným vodičem.
Obvod je uzavřený vodič (obr. 3).
Rýže. 3. Obrys
Rýže. 4. Generátor
Jeho hlavní prvky jsou (obr. 4):
- cívka, která se může otáčet kolem své osy;
- permanentní magnet kolem cívky.
Když se cívka otáčí v magnetickém poli, můžete vidět, že se žárovka rozsvítí (tj. v obvodu se objeví indukční proud).
Z této zkušenosti můžeme usoudit, že jev elektromagnetické indukce se projevuje i při rotaci cívky nebo vodivého rámu v magnetickém poli (obr. 5), tedy když úhel mezi magnetickými čarami a rovinou vodiče Změny.
Rýže. 5. Ilustrace pro zkušenost
Všechny tři parametry, jejichž změny ovlivňují velikost indukčního proudu, spojuje fyzikální veličina zvaná magnetický tok.
V - modul magnetické indukce pole
S- vrstevnicová oblast
Charakterizuje umístění roviny obrysu vzhledem k magnetické linii.
Magnetický tok se měří ve Weberovi (Wb) a označuje se písmenem F.
Magnetický tok je tedy úměrný modulu magnetické indukce pole, ploše obvodu a závisí na umístění roviny obvodu vzhledem k magnetické linii.
Úkolem analýzy parametrů magnetického toku
Abyste se naučili vyvozovat závěry o změně magnetického toku v prvcích různých elektrických obvodů, které mohou vést k přítomnosti nežádoucích indukčních proudů, zvažte problém.
Do stejnosměrného obvodu je sériově s reostatem a klíčem zapojena drátěná cívka s ocelovým jádrem (obr. 6).
Rýže. 6. Ilustrace problému
Elektrický proud protékající větvemi cívky vytváří v prostoru kolem ní magnetické pole (obr. 7). V poli cívky je stejná cívka.
Rýže. 7. Ilustrace problému
Jak můžete změnit magnetický tok pronikající do cívky? Zvažte všechny možné možnosti.
Připomeňme si, která změna parametrů vede ke změně magnetického toku.
Začněme změnou indukce magnetického pole cívky.Toho lze dosáhnout změnou síly proudu, který generuje její magnetické pole. Proud v zobrazeném obvodu můžete změnit dvěma způsoby:
1. Posunutím jezdce reostatu
2. Klíč zapnout/vypnout
Stojí za zmínku, že změna hodnoty proudu bude největší z maxima na nulu, což povede k největší změně magnetického toku v cívce.
Dalším parametrem, jehož změna ovlivní hodnotu magnetického toku, je plocha obvodu. V našem případě cívky Ale nemůžeme změnit plochu průřezu cívky. Možnost je tedy mimo.
Poslední možností změny magnetického toku je natočení cívky vůči magnetickým čarám cívky. Pro dosažení maximálního výsledku změny je nutné otočit cívku o 90 (obr. 8).
Rýže. 8. Ilustrace problému
Co je popsáno magnetickým tokem?
Jak jsme již uvedli, záleží na:
- Ze síly magnetického pole
- Z oblasti obrysu, kterým tyto magnetické čáry procházejí
- Z úhlu umístění mezi obrysem a magnetickými čarami
Tím pádem, magnetický tok charakterizuje počet magnetických čar prostupujících omezený obrys.
To lze snadno zkontrolovat.
1. Porovnejme počet čar, které protínají stejný obrys, ale v magnetických polích různé síly (obr. 9).
V silnějším poli obrys prořízne více čar.
Rýže. 9. Ilustrace problému
2. Porovnáme-li počet čar, které ve stejném stejnoměrném magnetickém poli pronikají obrysy různé oblasti, pak jich je přes větší obrys zjevně více (obr. 10).
Rýže. 10. Ilustrace k problému
3. Porovnáme-li natočení obrysu v magnetickém poli pod úhlem k magnetickým čarám a jeho umístění podél čar, pak v prvním případě bude jejich počet rovinou obrysu maximální. A ve druhém budou magnetické čáry klouzat po obrysu a vůbec do něj neproniknou (obr. 11).
V těchto příkladech větší počet linek procházejících obvodem odpovídal většímu magnetickému toku.
V důsledku toho si všimneme, že protože velikost indukčního proudu závisí na změně magnetické indukce, oblasti obvodu a jeho orientaci v prostoru, je obvyklé říkat, že závisí na změnách v magnetický tok.
Faradayovy experimenty navíc ukázaly, že důležitá je rychlost změny magnetického toku. Čím rychleji tyto hodnoty změníte, tím větší bude hodnota indukčního proudu.
Lze tedy tvrdit, že jev elektromagnetické indukce je charakterizován rychlostí změny magnetického toku.
Úkol stanovení podmínek pro vznik indukčního proudu
Abychom porozuměli vztahu mezi magnetickým tokem obvodem a jevem elektromagnetické indukce v něm, zvažte problém:
Malá cívka se pohybuje dopředu v rovnoměrném magnetickém poli. Je v cívce indukovaný proud? Odpověď zdůvodněte.
Rýže. 12. Ilustrace problému
Může se zdát, že vlivem pohybu cívky může docházet ke změnám, jejichž důsledkem bude vznik indukčního proudu v jejích závitech (obr. 12).
Připomeňme, že předpokladem pro vznik indukčního proudu je změna magnetického toku závity cívky. To vyžaduje změnu magnetické indukce v obvodu cívky. Co není pozorováno, protože podle podmínek je pole homogenní.
Kromě toho je možné změnit plochu průřezu cívky, která také není pozorována.
Poslední možnou možností je změnit úhel natočení roviny cívky vůči siločarám magnetického pole, k čemuž samozřejmě také nedochází, protože pohyb je translační, což znamená, že nejsou pozorovány žádné rotace cívky.
Proto docházíme k závěru, že magnetický tok se nezmění, respektive nebude se tvořit indukční proud ani v závitech cívky.
Porovnání magnetického toku s prouděním vody
Název nové fyzikální veličiny námi studovaného magnetického toku není náhodný. Faktem je, že magnetický tok obvodem lze porovnat s průtokem vody prstencem, který je umístěn v potrubí (obr. 13). (1)
Čím větší je rychlost vody, tím více jí projde prstencem za jednotku času. (2)
Čím větší je plocha prstence, tím více vody jím proteče za sledovaný čas. (3)
Pokud se kroužek otáčí, když je příčný k proudu vody, proteče rovinou kroužku maximální množství vody. (4)
Pokud ji začnete otáčet pod ostrým úhlem k toku, bude téct stále méně vody. (5)
Rýže. 13. Porovnání magnetického toku s prouděním vody
A při otáčení podél odtoku voda prstencem vůbec neprojde, ale bude po něm klouzat. (6)
Zvažovali jsme podobné vlastnosti pro magnetický tok.
V lekci jsme si vysvětlili, které parametry magnetického pole a obvodu je nutné změnit, abychom pozorovali jev elektromagnetické indukce. Spojili jsme to do konceptu „magnetického toku“.
Bibliografie
- Aksenovič L. A. Fyzika na střední škole: Teorie. Úkoly. Testy: Proc. příspěvek pro instituce poskytující obec. prostředí, vzdělávání.
- Yavorsky B.M., Pinsky A.A., Fundamentals of Physics, v.2., - M. Fizmatlit., 2003.
- Základní učebnice fyziky. Ed. G.S. Landsberg, T. 3. - M., 1974.
- Festival.1september.ru ().
- Nvtc.ee ().
- Сlass-fizika.narod.ru ().
Domácí práce
- Co určuje magnetický tok pronikající oblastí plochého obvodu umístěného v rovnoměrném magnetickém poli?
- Jak se změní magnetický tok s nárůstem magnetické indukce nkrát, pokud se nemění plocha ani orientace obvodu?
- Změní se magnetický tok při takové rotaci obvodu, kdy do něj pak pronikají čáry magnetické indukce. pak sklouznout po jeho rovině?
