Attiecības starp elektriskajiem un magnētiskajiem laukiem ir pamanītas ļoti ilgu laiku. Šo saikni 19. gadsimtā atklāja angļu fiziķis Faradejs un deva tai nosaukumu. Tas parādās brīdī, kad magnētiskā plūsma iekļūst slēgtas ķēdes virsmā. Pēc magnētiskās plūsmas maiņas uz noteiktu laiku šajā ķēdē parādās elektriskā strāva.
Elektromagnētiskās indukcijas un magnētiskās plūsmas attiecības
Magnētiskās plūsmas būtība tiek parādīta pēc labi zināmās formulas: Ф = BS cos α. Tajā F ir magnētiskā plūsma, S ir kontūras virsma (laukums), B ir magnētiskās indukcijas vektors. Leņķis α veidojas magnētiskās indukcijas vektora virziena un kontūras virsmas normālā dēļ. No tā izriet, ka magnētiskā plūsma sasniegs maksimālo slieksni pie cos α = 1 un minimālo slieksni pie cos α = 0.
Otrajā variantā vektors B būs perpendikulārs normālam. Izrādās, ka plūsmas līnijas nešķērso kontūru, bet tikai slīd pa tās plakni. Tāpēc raksturlielumus noteiks vektora B līnijas, kas krustojas ar kontūras virsmu. Aprēķiniem Vēbers tiek izmantots kā mērvienība: 1 wb \u003d 1v x 1s (volt-sekunde). Vēl viena, mazāka mērvienība ir maxwell (µs). Tas ir: 1 wb \u003d 108 μs, tas ir, 1 μs \u003d 10-8 wb.
Faradeja pētījumiem tika izmantotas divas stiepļu spirāles, kas izolētas viena no otras un novietotas uz koka spoles. Viens no tiem bija savienots ar enerģijas avotu, bet otrs ar galvanometru, kas paredzēts nelielu strāvu reģistrēšanai. Tajā brīdī, kad oriģinālās spirāles ķēde aizvērās un atvērās, otrā ķēdē mērierīces bultiņa novirzījās.
Pētījumu veikšana par indukcijas fenomenu
Pirmajā eksperimentu sērijā Maikls Faradejs ievietoja magnetizētu metāla stieni spolē, kas savienota ar strāvu, un pēc tam izvilka to (1., 2. att.).
1 
2 
Ievietojot magnētu spolē, kas savienota ar mērierīci, ķēdē sāk plūst induktīvā strāva. Ja magnētiskais stienis tiek noņemts no spoles, indukcijas strāva joprojām parādās, bet tās virziens jau ir apgriezts. Līdz ar to indukcijas strāvas parametri tiks mainīti stieņa virzienā un atkarībā no pola, ar kuru tā ievietota spolē. Strāvas stiprumu ietekmē magnēta kustības ātrums.
Otrajā eksperimentu sērijā apstiprinās parādība, kurā mainīga strāva vienā spolē izraisa indukcijas strāvu citā spolē (3., 4., 5. att.). Tas notiek ķēdes aizvēršanas un atvēršanas brīžos. Strāvas virziens būs atkarīgs no tā, vai elektriskā ķēde aizveras vai atveras. Turklāt šīs darbības nav nekas vairāk kā veidi, kā mainīt magnētisko plūsmu. Kad ķēde ir aizvērta, tā palielināsies, un, atverot, tā samazināsies, vienlaikus iekļūstot pirmajā spolē.
3 
4 
5 
Eksperimentu rezultātā tika konstatēts, ka elektriskās strāvas rašanās slēgtas vadošās ķēdes iekšpusē ir iespējama tikai tad, ja tās ir novietotas mainīgā magnētiskajā laukā. Tajā pašā laikā plūsma var mainīties laikā ar jebkādiem līdzekļiem.
Elektrisko strāvu, kas parādās elektromagnētiskās indukcijas ietekmē, sauc par indukciju, lai gan tā nebūs strāva parastajā izpratnē. Kad slēgta ķēde atrodas magnētiskajā laukā, tiek ģenerēts EML ar precīzu vērtību, nevis strāvu atkarībā no dažādām pretestībām.
Šo parādību sauc par indukcijas EML, ko atspoguļo formula: Eind = - ∆F / ∆t. Tā vērtība sakrīt ar magnētiskās plūsmas izmaiņu ātrumu, kas iekļūst slēgtas cilpas virsmā, ņemot vērā negatīvu vērtību. Šajā izteiksmē esošais mīnuss atspoguļo Lenca likumu.
Lenca noteikums par magnētisko plūsmu
Labi zināms noteikums tika iegūts pēc virknes pētījumu 19. gadsimta 30. gados. Tas ir formulēts šādā veidā:
Indukcijas strāvas virziens, ko slēgtā ķēdē ierosina mainīga magnētiskā plūsma, ietekmē tā radīto magnētisko lauku tā, ka tas savukārt rada šķērsli magnētiskajai plūsmai, kas izraisa induktīvās strāvas parādīšanos.
Kad magnētiskā plūsma palielinās, tas ir, tā kļūst Ф > 0, un indukcijas EMF samazinās un kļūst par 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.
Ja plūsma samazinās, tad notiek apgrieztais process, kad F< 0 и Еинд >0, tas ir, indukcijas strāvas magnētiskā lauka darbība, palielinās magnētiskā plūsma, kas iet caur ķēdi.
Lenca noteikuma fizikālā nozīme ir atspoguļot enerģijas nezūdamības likumu, kad, vienam daudzumam samazinoties, otrs palielinās, un, gluži pretēji, kad viens daudzums palielinās, otrs samazināsies. Indukcijas emf ietekmē arī dažādi faktori. Ja spolē pārmaiņus tiek ievietots spēcīgs un vājš magnēts, ierīce attiecīgi rādīs augstāku vērtību pirmajā gadījumā un zemāku vērtību otrajā. Tas pats notiek, mainoties magnēta ātrumam.
Zemāk redzamajā attēlā parādīts, kā indukcijas strāvas virziens tiek noteikts, izmantojot Lenca noteikumu. Zilā krāsa atbilst indukcijas strāvas un pastāvīgā magnēta magnētisko lauku spēka līnijām. Tie atrodas ziemeļu-dienvidu polu virzienā, kas atrodas katrā magnētā.
Mainīgā magnētiskā plūsma noved pie induktīvās elektriskās strāvas rašanās, kuras virziens izraisa pretestību no tās magnētiskā lauka, kas novērš magnētiskās plūsmas izmaiņas. Šajā sakarā spoles magnētiskā lauka spēka līnijas ir vērstas virzienā, kas ir pretējs pastāvīgā magnēta spēka līnijām, jo tā kustība notiek šīs spoles virzienā.
Lai noteiktu strāvas virzienu, to izmanto ar labās puses vītni. Tam jābūt ieskrūvētam tā, lai tā kustības virziens uz priekšu sakristu ar spoles indukcijas līniju virzienu. Šajā gadījumā indukcijas strāvas virzieni un karkasa roktura griešanās virzieni sakritīs.
Elektriskie Un magnētiskie laukiģenerē vieni un tie paši avoti – elektriskie lādiņi, tāpēc varam pieņemt, ka starp šiem laukiem pastāv zināms savienojums. Šis pieņēmums atrada eksperimentālu apstiprinājumu 1831. gadā izcilā angļu fiziķa M. Faradeja eksperimentos. Viņš atvēra elektromagnētiskās indukcijas parādība.
Elektromagnētiskās indukcijas fenomens ir indukcijas elektriskās strāvas ģeneratoru darbības pamatā, kas veido visu pasaulē saražoto elektroenerģiju.
- magnētiskā plūsma
Magnētiskā lauka maiņas procesa kvantitatīvā īpašība caur slēgtu cilpu ir fiziskais lielums, ko sauc magnētiskā plūsma. Magnētiskā plūsma (F) caur slēgtās cilpas laukumu (S) ir fizikāls lielums, kas vienāds ar magnētiskās indukcijas vektora (B) moduļa reizinājumu ar cilpas laukumu (S) un leņķa kosinusu. starpvektors B un normāls pret virsmu: Φ = BS cos α. Magnētiskās plūsmas mērvienība ir F - Weber (Wb): 1 Wb \u003d 1 T 1 m 2.
perpendikulāri maksimums.
Ja magnētiskās indukcijas vektors paralēli kontūras laukums, tad magnētiskā plūsma vienāds ar nulli.
- Elektromagnētiskās indukcijas likums
Empīriski tika noteikts elektromagnētiskās indukcijas likums: Indukcijas EML slēgtā ķēdē absolūtā vērtībā ir vienāds ar magnētiskās plūsmas izmaiņu ātrumu caur ķēdes ierobežoto virsmu: Šo formulu sauc Faradeja likums .
Faradeja pirmais eksperiments ir klasisks elektromagnētiskās indukcijas pamatlikuma demonstrējums. Tajā, jo ātrāk magnēts tiek pārvietots pa spoles pagriezieniem, jo vairāk tajā parādās indukcijas strāva un līdz ar to arī indukcijas EMF.
- Lenca likums
Indukcijas strāvas virziena atkarību no magnētiskā lauka izmaiņu rakstura slēgtā ķēdē 1833. gadā eksperimentāli noteica krievu fiziķis E.Kh.Lencs. Saskaņā ar Lenca likums , kas rodas slēgtā ķēdē, indukcijas strāva ar savu magnētisko lauku neitralizē magnētiskās plūsmas izmaiņas, kuras tā sauca.Īsāk sakot, šo noteikumu var formulēt šādi: inducētā strāva ir vērsta tā, lai novērstu iemesls, kas to izraisa. Lenca noteikums atspoguļo eksperimentālo faktu, ka viņiem vienmēr ir pretējas zīmes (mīnusa zīme Faraday formula).
Lencs izstrādāja ierīci, kas sastāv no diviem alumīnija gredzeniem, cietiem un grieztiem, kas uzstādīti uz alumīnija šķērsstieņa. Viņi varēja griezties ap asi, piemēram, šūpuļzirgs. Kad magnēts tika ievietots cietā gredzenā, tas sāka "aizbēgt" no magnēta, attiecīgi pagriežot šūpuļsviru. Izņemot magnētu no gredzena, tas mēģināja "panākt" magnētu. Kad magnēts pārvietojās grieztā gredzena iekšpusē, kustība nenotika. Lencs eksperimentu skaidroja ar to, ka indukcijas strāvas magnētiskais lauks centās kompensēt ārējās magnētiskās plūsmas izmaiņas.
Lenca valdīšanai ir dziļa fiziska nozīme – tas izsaka enerģijas nezūdamības likums.
Jautājumi.
1. Kas nosaka magnētisko plūsmu, kas iekļūst plakanas ķēdes zonā, kas novietota vienmērīgā magnētiskajā laukā?
No magnētiskās indukcijas vektora B kontūras S laukums un tā orientācija.
2. Kā mainās magnētiskā plūsma, palielinoties magnētiskajai indukcijas koeficientam par n, ja nemainās ne ķēdes laukums, ne orientācija?
Palielinās n reizes.
3. Kādā ķēdes orientācijā attiecībā pret magnētiskās indukcijas līnijām ir maksimālā magnētiskā plūsma, kas iekļūst šīs ķēdes zonā? vienāds ar nulli?
Magnētiskā plūsma ir maksimālā, ja kontūras plakne ir perpendikulāra magnētiskās indukcijas līnijām un ir nulle, kad tā ir paralēla.
4. Vai magnētiskā plūsma mainās pie šādas ķēdes rotācijas, kad tajā pēc tam iekļūst magnētiskās indukcijas līnijas. tad slīd pa tās plakni?
Jā. Gadījumā, ja mainās magnētisko līniju slīpuma leņķis attiecībā pret ķēdes plakni, mainās arī magnētiskā plūsma.
Vingrinājumi.
1. Stieples spole K ar tērauda serdi ir savienota ar līdzstrāvas avota ķēdi virknē ar reostatu R un atslēgu K (125. att.). Elektriskā strāva, kas plūst caur spoles K 1 pagriezieniem, rada magnētisko lauku telpā ap to. Spoles laukā K 1 ir tā pati spole K 2. Kā var mainīt magnētisko plūsmu, kas iekļūst spolē K 2? Apsveriet visas iespējamās iespējas.
Spolē K 2 iekļūstošo magnētisko plūsmu var mainīt: 1) mainot strāvas stiprumu I ar reostatu; 2) atslēgas aizvēršana-atvēršana; 3) spoles K 2 orientācijas maiņa.
Ja magnētiskajā laukā ir slēgta vadoša ķēde, kas nesatur strāvas avotus, tad, mainoties magnētiskajam laukam, ķēdē rodas elektriskā strāva. Šo parādību sauc par elektromagnētisko indukciju. Strāvas parādīšanās norāda uz elektriskā lauka rašanos ķēdē, kas var nodrošināt slēgtu elektrisko lādiņu kustību vai, citiem vārdiem sakot, EML rašanos. Elektriskam laukam, kas rodas, mainoties magnētiskajam laukam un kura darbs nav vienāds ar nulli, pārvietojot lādiņus pa slēgtu ķēdi, ir slēgtas spēka līnijas un to sauc par virpuli.
Elektromagnētiskās indukcijas kvantitatīvam aprakstam tiek ieviests jēdziens magnētiskā plūsma (vai magnētiskās indukcijas vektora plūsma) caur slēgtu ķēdi. Plakanai ķēdei, kas atrodas vienotā magnētiskajā laukā (un tikai ar šādām situācijām var saskarties skolēni vienotā valsts eksāmenā), magnētisko plūsmu definē kā
kur ir lauka indukcija, ir kontūras laukums, ir leņķis starp indukcijas vektoru un normālu (perpendikulāri) kontūras plaknei (sk. attēlu; perpendikuls kontūras plaknei ir parādīts ar punktētu līniju). Magnētiskās plūsmas mērvienība starptautiskajā SI mērvienību sistēmā ir Vēbers (Wb), ko definē kā magnētisko plūsmu caur kontūru 1 m 2 platībā vienmērīga magnētiskā lauka ar 1 T indukciju, kas ir perpendikulāra plaknei kontūru.
Indukcijas EML vērtība, kas rodas ķēdē, mainoties magnētiskajai plūsmai caur šo ķēdi, ir vienāda ar magnētiskās plūsmas izmaiņu ātrumu
|
Šeit ir redzamas izmaiņas magnētiskajā plūsmā caur ķēdi nelielā laika intervālā. Svarīga elektromagnētiskās indukcijas likuma (23.2.) īpašība ir tā universālums attiecībā uz magnētiskās plūsmas maiņas iemesliem: magnētiskā plūsma caur ķēdi var mainīties magnētiskā lauka indukcijas maiņas dēļ, mainoties laukumam. ķēde vai leņķa izmaiņas starp indukcijas vektoru un normālu, kas rodas, ķēdei griežoties laukā. Visos šajos gadījumos saskaņā ar likumu (23.2.) ķēdē parādīsies indukcijas EMF un indukcijas strāva.
Mīnusa zīme formulā (23.2) ir "atbildīga" par elektromagnētiskās indukcijas rezultātā radušās strāvas virzienu (Lenca likums). Taču likuma valodā (23.2.) nav nemaz tik viegli saprast, uz kādu indukcijas strāvas virzienu šī zīme novedīs ar to vai citu magnētiskās plūsmas maiņu caur ķēdi. Bet ir pietiekami viegli atcerēties rezultātu: indukcijas strāva tiks virzīta tā, ka tās radītais magnētiskais lauks “tiek kompensēt” ārējā magnētiskā lauka izmaiņas, kas radīja šo strāvu. Piemēram, palielinoties ārējā magnētiskā lauka plūsmai caur ķēdi, tajā parādīsies indukcijas strāva, kuras magnētiskais lauks tiks virzīts pretēji ārējam magnētiskajam laukam, lai samazinātu ārējo magnētisko lauku un tādējādi saglabātu. magnētiskā lauka sākotnējā vērtība. Samazinoties lauka plūsmai caur ķēdi, indukcijas strāvas lauks tiks virzīts tāpat kā ārējais magnētiskais lauks.
Ja kāda iemesla dēļ strāva mainās ķēdē ar strāvu, tad mainās arī magnētiskā plūsma caur magnētiskā lauka ķēdi, ko rada pati šī strāva. Tad saskaņā ar likumu (23.2.) ķēdē jāparādās indukcijas EMF. Indukcijas EML parādību noteiktā elektriskā ķēdē strāvas izmaiņu rezultātā šajā ķēdē sauc par pašindukciju. Lai atrastu pašindukcijas EML kādā elektriskā ķēdē, ir jāaprēķina magnētiskā lauka plūsma, ko šī ķēde rada caur sevi. Šāds aprēķins ir sarežģīta problēma magnētiskā lauka neviendabīguma dēļ. Tomēr viena šīs plūsmas īpašība ir acīmredzama. Tā kā strāvas radītais magnētiskais lauks ķēdē ir proporcionāls strāvas stiprumam, tad paša lauka magnētiskā plūsma caur ķēdi ir proporcionāla strāvai šajā ķēdē.
|
kur ir strāvas stiprums ķēdē, ir proporcionalitātes koeficients, kas raksturo ķēdes "ģeometriju", bet nav atkarīgs no strāvas stipruma tajā un tiek saukts par šīs ķēdes induktivitāti. Induktivitātes mērvienība starptautiskajā SI vienību sistēmā ir Henrijs (H). 1 H tiek definēta kā šādas ķēdes induktivitāte, kuras paša magnētiskā lauka indukcijas plūsma ir 1 Wb pie strāvas stipruma 1 A. Ņemot vērā induktivitātes definīciju (23.3) no elektromagnētiskās indukcijas likuma. (23.2), mēs iegūstam pašindukcijas EML
|
Pašindukcijas fenomena dēļ strāvai jebkurā elektriskā ķēdē ir noteikta "inerce" un līdz ar to arī enerģija. Patiešām, lai ķēdē izveidotu strāvu, ir jāveic darbs, lai pārvarētu pašindukcijas EMF. Ķēdes enerģija ar strāvu un ir vienāda ar šo darbu. Ir jāatceras shēmas enerģijas formula ar strāvu
|
kur ir ķēdes induktivitāte, ir strāva tajā.
Elektromagnētiskās indukcijas fenomens tiek plaši izmantots tehnoloģijās. Tā pamatā ir elektriskās strāvas radīšana elektriskajos ģeneratoros un spēkstacijās. Pateicoties elektromagnētiskās indukcijas likumam, mehāniskās vibrācijas mikrofonos pārvēršas elektriskās vibrācijās. Pamatojoties uz elektromagnētiskās indukcijas likumu, jo īpaši darbojas elektriskā ķēde, ko sauc par svārstību ķēdi (skat. nākamo nodaļu) un kas ir jebkuras radio raidīšanas vai radio uztveršanas iekārtas pamatā.
Tagad apsveriet uzdevumus.
No tiem, kas uzskaitīti uzdevums 23.1.1 parādības, elektromagnētiskās indukcijas likumam ir tikai vienas sekas - strāvas parādīšanās gredzenā, kad caur to tiek izvadīts pastāvīgais magnēts (atbilde 3 ). Viss pārējais ir strāvu magnētiskās mijiedarbības rezultāts.
Kā norādīts šīs nodaļas ievadā, elektromagnētiskās indukcijas parādība ir ģeneratora darbības pamatā ( uzdevums 23.1.2), t.i. ierīce, kas rada maiņstrāvu noteiktā frekvencē (atbilde 2 ).
Pastāvīgā magnēta radītā magnētiskā lauka indukcija samazinās, palielinoties attālumam no tā. Tāpēc, kad magnēts tuvojas gredzenam ( uzdevums 23.1.3) mainās magnēta magnētiskā lauka indukcijas plūsma caur gredzenu, un gredzenā parādās indukcijas strāva. Acīmredzot tas notiks, kad magnēts tuvosies gredzenam gan ar ziemeļu, gan dienvidu polu. Bet indukcijas strāvas virziens šajos gadījumos būs atšķirīgs. Tas ir saistīts ar faktu, ka, magnētam tuvojoties gredzenam ar dažādiem poliem, lauks gredzena plaknē vienā gadījumā tiks vērsts pretēji laukam otrā. Tāpēc, lai kompensētu šīs ārējā lauka izmaiņas, induktīvās strāvas magnētiskais lauks šajos gadījumos ir jāvirza atšķirīgi. Tāpēc indukcijas strāvu virzieni gredzenā būs pretēji (atbilde ir 4 ).
Lai gredzenā notiktu indukcijas EMF, ir nepieciešams, lai magnētiskā plūsma caur gredzenu mainītos. Un tā kā magnēta lauka magnētiskā indukcija ir atkarīga no attāluma līdz tai, tad aplūkotajā gadījumā uzdevums 23.1.4 Gadījumā, ja plūsma caur gredzenu mainīsies, gredzenā parādīsies indukcijas strāva (atbilde ir 1
).
Pagriežot rāmi 1 ( uzdevums 23.1.5) leņķis starp magnētiskās indukcijas līnijām (un līdz ar to arī indukcijas vektoru) un kadra plakni jebkurā brīdī ir vienāds ar nulli. Līdz ar to magnētiskā plūsma caur rāmi 1 nemainās (skat. formulu (23.1)), un tajā nerodas indukcijas strāva. 2. kadrā radīsies indukcijas strāva: attēlā redzamajā stāvoklī magnētiskā plūsma caur to ir nulle, kad rāmis pagriežas par ceturtdaļu pagrieziena, tas būs vienāds ar , kur ir indukcija, ir laukums no rāmja. Vēl pēc ceturtdaļas pagrieziena plūsma atkal būs nulle utt. Tāpēc magnētiskās indukcijas plūsma caur rāmi 2 mainās tā rotācijas laikā, tāpēc tajā rodas indukcijas strāva (atbilde ir 2 ).
IN uzdevums 23.1.6 indukcijas strāva rodas tikai 2. gadījumā (atbilde 2
). Patiešām, 1. gadījumā rāmis kustības laikā paliek tādā pašā attālumā no vadītāja, un līdz ar to šī vadītāja radītais magnētiskais lauks rāmja plaknē nemainās. Kad rāmis attālinās no vadītāja, mainās vadītāja lauka magnētiskā indukcija rāmja zonā, mainās magnētiskā plūsma caur rāmi un rodas indukcijas strāva.
Elektromagnētiskās indukcijas likums nosaka, ka induktīvā strāva gredzenā plūdīs tādos laika momentos, kad mainās magnētiskā plūsma caur šo gredzenu. Tāpēc, kamēr magnēts atrodas pie gredzena ( uzdevums 23.1.7) gredzenā netecēs induktīvā strāva. Tātad pareizā atbilde uz šo problēmu ir 2 .
Saskaņā ar elektromagnētiskās indukcijas likumu (23.2.) indukcijas EMF kadrā nosaka caur to plūstošās magnētiskās plūsmas izmaiņu ātrums. Un tā kā ar nosacījumu uzdevumi 23.1.8 magnētiskā lauka indukcija kadra apgabalā mainās vienmērīgi, tās izmaiņu ātrums ir nemainīgs, indukcijas emf lielums eksperimenta laikā nemainās (atbilde ir 3 ).
IN uzdevums 23.1.9 Indukcijas emf, kas rodas kadrā otrajā gadījumā, ir četras reizes lielāks nekā indukcijas emf, kas notiek pirmajā (atbilde ir 4 ). Tas ir saistīts ar četrkārtīgu rāmja laukuma pieaugumu un attiecīgi magnētisko plūsmu caur to otrajā gadījumā.
IN uzdevums 23.1.10 otrajā gadījumā magnētiskās plūsmas izmaiņu ātrums dubultojas (lauka indukcija mainās par tādu pašu daudzumu, bet uz pusi mazāk laika). Tāpēc elektromagnētiskās indukcijas EML, kas rodas kadrā otrajā gadījumā, ir divreiz lielāks nekā pirmajā (atbilde ir 1 ).
Kad strāva slēgtā vadītājā dubultojas ( uzdevums 23.2.1), magnētiskā lauka indukcijas vērtība katrā telpas punktā palielināsies divas reizes, nemainot virzienu. Tāpēc magnētiskā plūsma caur jebkuru nelielu laukumu un attiecīgi viss vadītājs mainīsies tieši divas reizes (atbilde ir 1
). Bet magnētiskās plūsmas caur vadītāju attiecība pret strāvu šajā vadītājā, kas ir vadītāja induktivitāte 
, kamēr nemainās ( uzdevums 23.2.2- atbildi 3
).
Izmantojot formulu (23.3), atrodam in uzdevums 32.2.3 gn (atbilde 4 ).
Attiecība starp magnētiskās plūsmas, magnētiskās indukcijas un induktivitātes mērvienībām ( uzdevums 23.2.4) izriet no induktivitātes definīcijas (23.3): magnētiskās plūsmas vienība (Wb) ir vienāda ar strāvas vienības (A) reizinājumu uz induktivitātes vienību (H) - atbilde 3 .
Saskaņā ar formulu (23.5) ar divkāršu spoles induktivitātes pieaugumu un divkāršu strāvas samazināšanos tajā ( uzdevums 23.2.5) spoles magnētiskā lauka enerģija samazināsies 2 reizes (atbilde 2 ).
Kad rāmis griežas vienmērīgā magnētiskajā laukā, magnētiskā plūsma caur rāmi mainās, jo mainās leņķis starp perpendikulāru rāmja plaknei un magnētiskā lauka vektoru. Un tā kā pirmajā un otrajā gadījumā in uzdevums 23.2.6šis leņķis mainās saskaņā ar to pašu likumu (pēc nosacījuma kadru griešanās biežums ir vienāds), tad saskaņā ar to pašu likumu mainās indukcijas EMF un līdz ar to arī amplitūdas vērtību attiecība. Indukcijas EMF ietvaros ir vienāds ar vienu (atbilde 2 ).
Magnētiskais lauks, ko rada vadītājs ar strāvu rāmja reģionā ( uzdevums 23.2.7), nosūtīts "no mums" (skat. problēmu risinājumu 22. nodaļā). Vada lauka indukcijas vērtība rāmja zonā samazināsies, attālinoties no stieples. Tāpēc indukcijas strāvai rāmī ir jārada magnētiskais lauks, kas virzīts rāmja iekšpusē "prom no mums". Tagad, izmantojot gimlet likumu, lai atrastu magnētiskās indukcijas virzienu, mēs secinām, ka indukcijas strāva cilpā tiks virzīta pulksteņrādītāja virzienā (atbilde ir 1 ).
Palielinoties strāvai vadā, palielināsies tā radītais magnētiskais lauks un rāmī parādīsies indukcijas strāva ( uzdevums 23.2.8). Tā rezultātā cilpā notiks indukcijas strāvas un vadītāja strāvas mijiedarbība. Lai atrastu šīs mijiedarbības (pievilkšanas vai atgrūšanas) virzienu, varat atrast indukcijas strāvas virzienu un pēc tam, izmantojot Ampère formulu, mijiedarbības spēku starp rāmi un vadu. Bet jūs varat to izdarīt savādāk, izmantojot Lenca noteikumu. Visām induktīvām parādībām ir jābūt tādam virzienam, lai kompensētu cēloni, kas tās izraisa. Un tā kā iemesls ir strāvas palielināšanās cilpā, mijiedarbības spēkam starp induktīvo strāvu un vadu vajadzētu samazināt stieples lauka magnētisko plūsmu caur cilpu. Un tā kā stieples lauka magnētiskā indukcija samazinās, palielinoties attālumam līdz tam, šis spēks atgrūdīs rāmi no stieples (atbilde 2 ). Ja strāva vadā samazinātos, rāmis tiktu piesaistīts vadam.
23.2.9.uzdevums saistīts arī ar indukcijas parādību virzienu un Lenca likumu. Kad magnēts tuvojas vadošam gredzenam, tajā parādīsies indukcijas strāva, un tās virziens būs tāds, lai kompensētu cēloni, kas to izraisa. Un tā kā šis iemesls ir magnēta tuvošanās, gredzens no tā atgrūdīsies (atbilde 2 ). Ja magnēts tiek pārvietots prom no gredzena, tad to pašu iemeslu dēļ gredzens pievilktos magnētam.
Uzdevums 23.2.10 ir vienīgā skaitļošanas problēma šajā nodaļā. Lai atrastu indukcijas EMF, jums jāatrod izmaiņas magnētiskajā plūsmā caur ķēdi 
. To var izdarīt šādi. Ļaujiet kādā brīdī džemperim atrasties attēlā parādītajā pozīcijā un ļaujiet paiet nelielam laika intervālam. Šajā laika intervālā džemperis pārvietosies par vērtību . Tas palielinās kontūras laukumu 
pēc summas 
. Tāpēc magnētiskās plūsmas izmaiņas ķēdē būs vienādas, un indukcijas emf lielums 
(atbilde 4
).
Nodarbībā mēs uzzināsim par mums jaunu jēdzienu - magnētisko plūsmu - un apsvērsim, kā tas tiek raksturots.
Atgādiniet, ka, mainoties magnētiskā lauka parametriem slēgta vadītāja tuvumā, tajā rodas strāva. Šo strāvu sauc par indukcijas strāvu, un parādība ir elektromagnētiskās indukcijas parādība.
Tomēr paliek jautājums, kādi konkrēti magnētiskā lauka parametri mums ir nepieciešami, lai iegūtu šo efektu. Sāksim ar eksperimentu:
Lai to veiktu, mums ir nepieciešams: spole ar lielu apgriezienu skaitu un ar to savienots ampērmetrs. Eksperimenta laikā pievērsiet uzmanību ampērmetra adatas darbībai (1. att.).
Rīsi. 1. Faradeja eksperimenti
Kā redzam, nolaižot un noņemot stieņa magnētu no spoles, tajā veidojas indukcijas strāva.
Analizēsim, kuras parametra izmaiņas izraisīja novēroto efektu. Magnētam tuvojoties spolei un attālinoties no tās, mainās magnētiskā lauka stiprums tajā.
Tādējādi vērtība, kas ietekmē indukcijas strāvas veidošanos spolē, ir magnētiskā lauka stiprums.
Atgādiniet, ka to raksturo tāds lielums kā magnētiskā indukcija. Tas ir vektors, un to apzīmē un mēra ar T.
Slēgts stieples gredzens, kas novietots perpendikulāri magnētiskajam laukam, tiek saspiests no vairākām pusēm tā, ka tas maina savu formu (2. att.).
Rīsi. 2. Pieredzes ilustrācija
Šajā gadījumā deformācijas procesā gredzenā parādās indukcijas strāva. Ko mēs šoreiz mainījām?
Tagad gredzena laukums ir mainīts. Protams, gredzena vietā varat eksperimentēt ar jebkuru slēgtu vadītāju.
Ķēde ir slēgts vadītājs (3. att.).
Rīsi. 3. Kontūra
Rīsi. 4. Ģenerators
Tās galvenie elementi ir (4. att.):
- spole, kas var griezties ap savu asi;
- pastāvīgais magnēts ap spoli.
Kad spole griežas magnētiskajā laukā, var redzēt, ka iedegas spuldze (t.i., ķēdē parādās indukcijas strāva).
No šīs pieredzes varam secināt, ka elektromagnētiskās indukcijas fenomens izpaužas arī tad, kad magnētiskajā laukā tiek pagriezta spole vai vadošs rāmis (5. att.), t.i., kad leņķis starp magnētiskajām līnijām un vadītāja plakni. izmaiņas.
Rīsi. 5. Pieredzes ilustrācija
Visus trīs parametrus, kuru izmaiņas ietekmē indukcijas strāvas lielumu, apvieno fizikāls lielums, ko sauc par magnētisko plūsmu.
IN - lauka magnētiskās indukcijas modulis
S- kontūru laukums
Raksturo kontūras plaknes atrašanās vietu attiecībā pret magnētisko līniju.
Magnētisko plūsmu mēra Weber (Wb) un apzīmē ar burtu F.
Tādējādi magnētiskā plūsma ir proporcionāla lauka magnētiskās indukcijas modulim, ķēdes laukumam un ir atkarīga no ķēdes plaknes atrašanās vietas attiecībā pret magnētisko līniju.
Magnētiskās plūsmas parametru analīzes uzdevums
Lai uzzinātu, kā izdarīt secinājumus par magnētiskās plūsmas izmaiņām dažādu elektrisko ķēžu elementos, kas var izraisīt nevēlamu indukcijas strāvu klātbūtni, apsveriet problēmu.
Līdzstrāvas ķēdei virknē ar reostatu un atslēgu pievienota stieples spole ar tērauda serdi (6. att.).
Rīsi. 6. Problēmas ilustrācija
Elektriskā strāva, kas plūst caur spoles zariem, rada magnētisko lauku telpā ap to (7. att.). Spoles laukā ir tā pati spole.
Rīsi. 7. Problēmas ilustrācija
Kā jūs varat mainīt magnētisko plūsmu, kas iekļūst spolē? Apsveriet visas iespējamās iespējas.
Atcerēsimies, kuras parametru izmaiņas izraisa magnētiskās plūsmas izmaiņas.
Sāksim, mainot spoles magnētiskā lauka indukciju.To var panākt, mainot tās magnētisko lauku ģenerējošās strāvas stiprumu. Varat mainīt strāvu parādītajā ķēdē divos veidos:
1. Reostata slīdņa pārvietošana
2. Taustiņu ieslēgšana/izslēgšana
Ir vērts atzīmēt, ka pašreizējās vērtības izmaiņas būs vislielākās no maksimālās līdz nullei, kas novedīs pie vislielākajām magnētiskās plūsmas izmaiņām spolē.
Nākamais parametrs, kura maiņa ietekmēs magnētiskās plūsmas vērtību, ir ķēdes laukums. Mūsu gadījumā spoles Bet mēs nevaram mainīt spoles šķērsgriezuma laukumu. Tāpēc opcija ir izslēgta.
Pēdējā iespēja mainīt magnētisko plūsmu ir pagriezt spoli attiecībā pret spoles magnētiskajām līnijām. Lai sasniegtu maksimālo izmaiņu rezultātu, ir nepieciešams pagriezt spoli par 90 (8. att.).
Rīsi. 8. Problēmas ilustrācija
Ko raksturo magnētiskā plūsma?
Kā mēs jau atzīmējām, tas ir atkarīgs no:
- No magnētiskā lauka stipruma
- No kontūras laukuma, caur kuru iet šīs magnētiskās līnijas
- No atrašanās vietas leņķa starp kontūru un magnētiskajām līnijām
Tādējādi magnētiskā plūsma raksturo magnētisko līniju skaitu, kas iekļūst ierobežotā kontūrā.
To ir viegli pārbaudīt.
1. Salīdzināsim līniju skaitu, kas šķērso vienu un to pašu kontūru, bet dažāda stipruma magnētiskajos laukos (9. att.).
Spēcīgākā laukā kontūra izgriež vairāk līniju.
Rīsi. 9. Problēmas ilustrācija
2. Ja salīdzina līniju skaitu, kas vienā un tajā pašā viendabīgā magnētiskajā laukā caurdur dažāda laukuma kontūras, tad caur lielāku kontūru to acīmredzami ir vairāk (10. att.).
Rīsi. 10. Problēmas ilustrācija
3. Ja salīdzinām kontūras griešanos magnētiskajā laukā leņķī pret magnētiskajām līnijām un tās izvietojumu pa līnijām, tad pirmajā gadījumā to skaits caur kontūras plakni būs maksimāls. Un otrajā magnētiskās līnijas slīdēs pa kontūru un vispār tajā neiekļūst (11. att.).
Šajos piemēros lielāks līniju skaits caur ķēdi atbilda lielākai magnētiskajai plūsmai.
Rezultātā mēs atzīmējam, ka, tā kā indukcijas strāvas lielums ir atkarīgs no magnētiskās indukcijas izmaiņām, ķēdes laukuma un tās orientācijas telpā, ir ierasts teikt, ka tas ir atkarīgs no izmaiņām magnētiskā plūsma.
Turklāt Faradeja eksperimenti parādīja, ka svarīgs ir magnētiskās plūsmas izmaiņu ātrums. Jo ātrāk mainīsit šīs vērtības, jo lielāka būs indukcijas strāvas vērtība.
Tādējādi var apgalvot, ka elektromagnētiskās indukcijas fenomenu raksturo magnētiskās plūsmas izmaiņu ātrums.
Uzdevums noteikt indukcijas strāvas rašanās nosacījumus
Lai saprastu saistību starp magnētisko plūsmu caur ķēdi un elektromagnētiskās indukcijas parādību tajā, apsveriet problēmu:
Neliela spole tiek pārvietota uz priekšu vienmērīgā magnētiskajā laukā. Vai spolē ir inducēta strāva? Pamato atbildi.
Rīsi. 12. Problēmas ilustrācija
Var šķist, ka spoles kustības dēļ var rasties izmaiņas, kuru sekas būs indukcijas strāvas rašanās tās pagriezienos (12. att.).
Atcerieties, ka indukcijas strāvas rašanās priekšnoteikums ir izmaiņas magnētiskajā plūsmā caur spoles pagriezieniem. Tas prasa izmaiņas magnētiskajā indukcijā caur spoles ķēdi. Kas netiek ievērots, jo pēc nosacījuma lauks ir viendabīgs.
Turklāt ir iespējams mainīt spoles šķērsgriezuma laukumu, kas arī netiek ievērots.
Pēdējais iespējamais variants ir mainīt spoles plaknes griešanās leņķi uz magnētiskā lauka līnijām, kas, acīmredzot, arī nenotiek, jo kustība ir translatīva, kas nozīmē, ka spoles rotācijas netiek novērotas.
Līdz ar to secinām, ka magnētiskā plūsma nemainīsies, attiecīgi arī spoles pagriezienos neveidosies indukcijas strāva.
Magnētiskās plūsmas salīdzinājums ar ūdens plūsmu
Mūsu pētītā jaunā magnētiskās plūsmas fiziskā daudzuma nosaukums nav nejaušs. Fakts ir tāds, ka magnētisko plūsmu caur ķēdi var salīdzināt ar ūdens plūsmu caur gredzenu, kas ievietots caurulē (13. att.). (1)
Jo lielāks ir ūdens ātrums, jo vairāk tas iziet cauri gredzenam laika vienībā. (2)
Jo lielāks ir gredzena laukums, jo vairāk ūdens caur to iztecēs novērotajā laikā. (3)
Ja gredzenu pagriež, kad tas ir šķērsām ūdens plūsmai, maksimālais ūdens daudzums iztecēs caur gredzena plakni. (4)
Ja sākat to griezt akūtā leņķī pret plūsmu, tad ūdens tecēs arvien mazāk. (5)
Rīsi. 13. Magnētiskās plūsmas salīdzinājums ar ūdens plūsmu
Un griežoties pa izteci ūdens cauri riņķim nemaz neizies, bet slīdēs pa to. (6)
Mēs esam apsvēruši līdzīgas īpašības magnētiskajai plūsmai.
Nodarbībā skaidrojām, kuri magnētiskā lauka un ķēdes parametri ir jāmaina, lai novērotu elektromagnētiskās indukcijas fenomenu. Mēs to esam apvienojuši jēdzienā "magnētiskā plūsma".
Bibliogrāfija
- Aksenovičs L. A. Fizika vidusskolā: teorija. Uzdevumi. Pārbaudes: Proc. pabalsts iestādēm, kas nodrošina vispārējo. vide, izglītība.
- Yavorsky B.M., Pinsky A.A., Fizikas pamati, v.2., - M. Fizmatlit., 2003.
- Elementāra fizikas mācību grāmata. Ed. G.S. Landsbergs, T. 3. - M., 1974.g.
- Festivāls.1september.ru ().
- Nvtc.ee ().
- Сlass-fizika.narod.ru ().
Mājasdarbs
- Kas nosaka magnētisko plūsmu, kas iekļūst plakanas ķēdes zonā, kas novietota vienmērīgā magnētiskajā laukā?
- Kā mainās magnētiskā plūsma, palielinoties magnētiskajai indukcijai par n reizēm, ja nemainās ne ķēdes laukums, ne orientācija?
- Vai magnētiskā plūsma mainās pie šādas ķēdes griešanās, kad tajā iekļūst magnētiskās indukcijas līnijas. tad slīd pa tās plakni?
