Vzťah medzi elektrickým a magnetickým poľom bol pozorovaný už veľmi dlho. Toto spojenie objavil v 19. storočí anglický fyzik Faraday a dal mu meno. Objaví sa v momente, keď magnetický tok prenikne na povrch uzavretého okruhu. Po určitej dobe zmeny magnetického toku sa v tomto obvode objaví elektrický prúd.
Vzťah elektromagnetickej indukcie a magnetického toku
Podstatu magnetického toku vyjadruje známy vzorec: Ф = BS cos α. V ňom je F magnetický tok, S je povrch obrysu (plocha), B je vektor magnetickej indukcie. Uhol α je vytvorený v dôsledku smeru vektora magnetickej indukcie a normály k povrchu obrysu. Z toho vyplýva, že magnetický tok dosiahne maximálny prah pri cos α = 1 a minimálny prah pri cos α = 0.
V druhom variante bude vektor B kolmý na normálu. Ukazuje sa, že prúdové čiary neprechádzajú cez obrys, ale iba kĺžu pozdĺž jeho roviny. Preto budú charakteristiky určené čiarami vektora B, ktoré pretínajú povrch obrysu. Na výpočet sa Weber používa ako merná jednotka: 1 wb \u003d 1v x 1s (volt-sekunda). Ďalšou menšou mernou jednotkou je maxwell (µs). Je to: 1 wb \u003d 108 μs, to znamená 1 μs \u003d 10-8 wb.
Na výskum Faradaya boli použité dve drôtené špirály, izolované od seba a umiestnené na drevenej cievke. Jeden z nich bol napojený na zdroj energie a druhý na galvanometer určený na zaznamenávanie malých prúdov. V tom momente, keď sa okruh pôvodnej špirály uzavrel a otvoril, v druhom okruhu sa šípka meracieho prístroja vychýlila.
Vedenie výskumu fenoménu indukcie
V prvej sérii experimentov Michael Faraday vložil zmagnetizovanú kovovú tyč do cievky pripojenej k prúdu a potom ju vytiahol (obr. 1, 2).
1 
2 
Po umiestnení magnetu do cievky pripojenej k meraciemu zariadeniu začne v obvode tiecť indukčný prúd. Ak je magnetická tyč odstránená z cievky, indukčný prúd sa stále objavuje, ale jeho smer je už obrátený. V dôsledku toho sa parametre indukčného prúdu budú meniť v smere tyče a v závislosti od pólu, s ktorým je umiestnený v cievke. Sila prúdu je ovplyvnená rýchlosťou pohybu magnetu.
V druhej sérii experimentov sa potvrdzuje jav, pri ktorom meniaci sa prúd v jednej cievke vyvoláva indukčný prúd v inej cievke (obr. 3, 4, 5). To sa deje v momentoch zatvárania a otvárania okruhu. Smer prúdu bude závisieť od toho, či sa elektrický obvod zatvára alebo otvára. Okrem toho tieto akcie nie sú ničím iným ako spôsobmi, ako zmeniť magnetický tok. Keď je okruh zatvorený, zvýši sa a keď sa otvorí, zníži sa a súčasne prenikne do prvej cievky.
3 
4 
5 
V dôsledku experimentov sa zistilo, že výskyt elektrického prúdu vo vnútri uzavretého vodivého obvodu je možný len vtedy, keď sú umiestnené v striedavom magnetickom poli. Zároveň sa tok môže meniť v čase akýmkoľvek spôsobom.
Elektrický prúd, ktorý sa objavuje pod vplyvom elektromagnetickej indukcie, sa nazýva indukcia, aj keď to nebude prúd v konvenčnom zmysle. Keď je uzavretý obvod v magnetickom poli, generuje sa EMF s presnou hodnotou a nie s prúdom v závislosti od rôznych odporov.
Tento jav sa nazýva EMF indukcie, čo vyjadruje vzorec: Eind = - ∆F / ∆t. Jeho hodnota sa zhoduje s rýchlosťou zmeny magnetického toku prenikajúceho povrchom uzavretej slučky, meranej so zápornou hodnotou. Mínus prítomný v tomto výraze je odrazom Lenzovho pravidla.
Lenzovo pravidlo pre magnetický tok
Známe pravidlo bolo odvodené po sérii štúdií v 30. rokoch 19. storočia. Je formulovaný nasledujúcim spôsobom:
Smer indukčného prúdu, vybudeného v uzavretom obvode meniacim sa magnetickým tokom, ovplyvňuje magnetické pole, ktoré vytvára, takým spôsobom, že vytvára prekážku magnetickému toku, ktorá spôsobuje vznik indukčného prúdu.
Keď sa magnetický tok zvýši, to znamená, že sa stane Ф > 0 a indukčné EMF sa zníži a stane sa 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.
Ak sa prietok zníži, potom nastane opačný proces, keď F< 0 и Еинд >0, teda pôsobením magnetického poľa indukčného prúdu, dochádza k zvýšeniu magnetického toku prechádzajúceho obvodom.
Fyzikálny význam Lenzovho pravidla spočíva v odzrkadlení zákona zachovania energie, keď pri poklese jednej veličiny sa druhá zvýši a naopak, pri zvýšení jednej veličiny sa druhá zníži. Rôzne faktory tiež ovplyvňujú indukčné emf. Keď je do cievky striedavo vložený silný a slabý magnet, zariadenie bude v prvom prípade ukazovať vyššiu hodnotu a v druhom prípade nižšiu hodnotu. To isté sa stane, keď sa zmení rýchlosť magnetu.
Obrázok nižšie ukazuje, ako sa určuje smer indukčného prúdu pomocou Lenzovho pravidla. Modrá farba zodpovedá siločiaram magnetických polí indukčného prúdu a permanentného magnetu. Sú umiestnené v smere severo-južných pólov, ktoré sú prítomné v každom magnete.
Meniaci sa magnetický tok vedie k vzniku indukčného elektrického prúdu, ktorého smer spôsobuje opozíciu jeho magnetického poľa, čo zabraňuje zmenám magnetického toku. V tomto ohľade sú siločiary magnetického poľa cievky nasmerované v smere opačnom k siločiaram permanentného magnetu, pretože jeho pohyb nastáva v smere tejto cievky.
Na určenie smeru prúdu sa používa s pravým závitom. Musí byť zaskrutkovaný tak, aby smer jeho pohybu dopredu súhlasil so smerom indukčných čiar cievky. V tomto prípade sa smery indukčného prúdu a otáčania rukoväte gimletu zhodujú.
Elektrické A magnetické polia sú generované rovnakými zdrojmi – elektrickými nábojmi, preto môžeme predpokladať, že medzi týmito poľami existuje určitá súvislosť. Tento predpoklad našiel experimentálne potvrdenie v roku 1831 v pokusoch vynikajúceho anglického fyzika M. Faradaya. Otvoril fenomén elektromagnetickej indukcie.
Fenomén elektromagnetickej indukcie je základom činnosti generátorov indukčného elektrického prúdu, ktoré zodpovedajú za všetku elektrinu vyrobenú na svete.
- magnetický tok
Kvantitatívnou charakteristikou procesu zmeny magnetického poľa cez uzavretú slučku je fyzikálna veličina tzv magnetický tok. Magnetický tok (F) cez oblasť uzavretej slučky (S) je fyzikálna veličina rovnajúca sa súčinu modulu vektora magnetickej indukcie (B) plochou slučky (S) a kosínusom uhla. medzivektor 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 maximálne.
Ak vektor magnetickej indukcie paralelný oblasť obrysu, potom magnetický tok rovná sa nule.
- Zákon elektromagnetickej indukcie
Empiricky bol stanovený zákon elektromagnetickej indukcie: EMF indukcie v uzavretom obvode sa v absolútnej hodnote rovná rýchlosti zmeny magnetického toku cez povrch ohraničený obvodom: Tento vzorec je tzv. Faradayov zákon .
Faradayov prvý experiment je klasickou demonštráciou základného zákona elektromagnetickej indukcie. V ňom platí, že čím rýchlejšie sa magnet pohybuje cez závity cievky, tým viac sa v ňom objavuje indukčný prúd, a teda aj indukčný EMF.
- Lenzove pravidlo
Závislosť smeru indukčného prúdu od charakteru zmeny magnetického poľa cez uzavretý okruh v roku 1833 experimentálne zistil ruský fyzik E.Kh.Lenz. Podľa Lenzove pravidlo , vznikajúce v uzavretom obvode, indukčný prúd svojím magnetickým poľom pôsobí proti zmene magnetického toku, ktorý volal. Stručne povedané, toto pravidlo možno formulovať takto: indukovaný prúd smeruje tak, aby sa zabránilo dôvod, ktorý to spôsobuje. Lenzovo pravidlo odráža experimentálny fakt, že majú vždy opačné znamienka (znamienko mínus Faradayov vzorec).
Lenz navrhol zariadenie pozostávajúce z dvoch hliníkových krúžkov, plného a rezaného, namontovaných na hliníkovej priečke. Mohli sa otáčať okolo osi ako vahadlo. Keď bol magnet zavedený do pevného krúžku, začal "utekať" od magnetu a zodpovedajúcim spôsobom otáčal vahadlom. Pri vyberaní magnetu z prsteňa sa snažil magnet „dohnať“. Keď sa magnet pohyboval vo vnútri vyrezaného krúžku, nenastal žiadny pohyb. Lenz vysvetlil experiment tým, že magnetické pole indukčného prúdu sa snažilo kompenzovať zmenu vonkajšieho magnetického toku.
Lenzove pravidlo má hlboký fyzikálny význam – vyjadruje zákon zachovania energie.
Otázky.
1. Čo určuje magnetický tok prenikajúci oblasťou plochého obvodu umiestneného v rovnomernom magnetickom poli?
Z vektora magnetickej indukcie B, oblasť obrysu S a jeho orientácia.
2. Ako sa zmení magnetický tok so zvýšením magnetickej indukcie o faktor n, ak sa nemení plocha ani orientácia obvodu?
Zvyšuje sa n-krát.
3. Pri akej orientácii obvodu vzhľadom na čiary magnetickej indukcie je maximálny magnetický tok prenikajúci do oblasti tohto obvodu? rovná nule?
Magnetický tok je maximálny, ak je rovina obrysu kolmá na čiary magnetickej indukcie a je nulová, keď je rovnobežná.
4. Mení sa magnetický tok pri takom otáčaní obvodu, keď do neho potom prenikajú čiary magnetickej indukcie. potom skĺznuť po jeho rovine?
Áno. V prípade, že sa zmení uhol sklonu magnetických čiar voči rovine obvodu, zmení sa aj magnetický tok.
Cvičenia.
1. Cievka drôtu K s oceľovým jadrom je zapojená do obvodu zdroja jednosmerného prúdu v sérii s reostatom R a kľúčom K (obr. 125). Elektrický prúd pretekajúci závitmi cievky K 1 vytvára v priestore okolo nej magnetické pole. V poli cievky K1 je rovnaká cievka K2. Ako môžete zmeniť magnetický tok prenikajúci do cievky K 2? Zvážte všetky možné možnosti.
Magnetický tok prenikajúci do cievky K 2 možno meniť: 1) zmenou sily prúdu I pomocou reostatu; 2) zatvorenie-otvorenie kľúča; 3) zmena orientácie cievky K2.
Ak je v magnetickom poli uzavretý vodivý obvod, ktorý neobsahuje zdroje prúdu, potom pri zmene magnetického poľa vzniká v obvode elektrický prúd. Tento jav sa nazýva elektromagnetická indukcia. Vzhľad prúdu naznačuje výskyt elektrického poľa v obvode, ktorý môže poskytnúť uzavretý pohyb elektrických nábojov alebo inými slovami výskyt EMF. Elektrické pole, ktoré vzniká pri zmene magnetického poľa a ktorého práca sa pri pohybe nábojov po uzavretom okruhu nerovná nule, má uzavreté siločiary a nazýva sa vír.
Pre kvantitatívny popis elektromagnetickej indukcie je zavedený pojem magnetického toku (alebo magnetického indukčného vektorového toku) cez uzavretý obvod. Pre plochý obvod umiestnený v rovnomernom magnetickom poli (a len s takýmito situáciami sa môžu stretnúť školáci na jednotnej štátnej skúške) je magnetický tok definovaný ako
kde je indukcia poľa, je oblasť obrysu, je uhol medzi vektorom indukcie a normálou (kolmicou) k rovine obrysu (pozri obrázok; kolmica na rovinu obrysu je znázornená bodkovanou čiarou). Jednotkou magnetického toku v medzinárodnej sústave jednotiek SI je Weber (Wb), ktorý je definovaný ako magnetický tok cez obrys plochy 1 m 2 rovnomerného magnetického poľa s indukciou 1 T, kolmý na rovinu obrys.
Hodnota EMF indukcie, ktorá sa vyskytuje v obvode, keď sa magnetický tok cez tento obvod mení, sa rovná rýchlosti zmeny magnetického toku
|
Tu je zmena magnetického toku cez obvod v krátkom časovom intervale. Dôležitou vlastnosťou zákona elektromagnetickej indukcie (23.2) je jeho univerzálnosť vzhľadom na dôvody zmeny magnetického toku: magnetický tok obvodom sa môže meniť v dôsledku zmeny indukcie magnetického poľa, zmeny oblasti magnetického toku. obvod alebo zmena uhla medzi indukčným vektorom a normálou, ku ktorej dochádza, keď sa obvod otáča v poli. Vo všetkých týchto prípadoch sa podľa zákona (23.2) v obvode objaví indukčné EMF a indukčný prúd.
Znamienko mínus vo vzorci (23.2) je "zodpovedné" za smer prúdu vyplývajúceho z elektromagnetickej indukcie (Lenzovo pravidlo). V jazyku zákona (23.2) však nie je také ľahké pochopiť, do akého smeru indukčného prúdu toto znamenie povedie s tou či onou zmenou magnetického toku obvodom. Ale je ľahké si zapamätať výsledok: indukčný prúd bude nasmerovaný takým spôsobom, že ním vytvorené magnetické pole bude „mať tendenciu“ kompenzovať zmenu vo vonkajšom magnetickom poli, ktoré generovalo tento prúd. Napríklad pri zvýšení toku vonkajšieho magnetického poľa obvodom sa v ňom objaví indukčný prúd, ktorého magnetické pole bude smerované opačne k vonkajšiemu magnetickému poľu tak, aby sa vonkajšie pole zmenšilo a udržalo pôvodnú hodnotu magnetického poľa. S poklesom toku poľa obvodom bude pole indukčného prúdu smerované rovnakým spôsobom ako vonkajšie magnetické pole.
Ak sa z nejakého dôvodu zmení prúd v obvode s prúdom, zmení sa aj magnetický tok obvodom magnetického poľa, ktoré je vytvárané týmto prúdom samotným. Potom by sa podľa zákona (23.2) malo v obvode objaviť indukčné EMF. Fenomén výskytu EMF indukcie v určitom elektrickom obvode v dôsledku zmeny prúdu v tomto samotnom obvode sa nazýva samoindukcia. Na nájdenie EMF samoindukcie v niektorom elektrickom obvode je potrebné vypočítať tok magnetického poľa vytvoreného týmto obvodom cez seba. Takýto výpočet je náročný problém kvôli nehomogenite magnetického poľa. Jedna vlastnosť tohto toku je však zrejmá. Pretože magnetické pole vytvorené prúdom v obvode je úmerné veľkosti prúdu, potom je magnetický tok vlastného poľa obvodom úmerný prúdu v tomto obvode.
|
kde je sila prúdu v obvode, je faktor úmernosti, ktorý charakterizuje "geometriu" obvodu, ale nezávisí od prúdu v ňom a nazýva sa indukčnosť tohto obvodu. Jednotkou indukčnosti v medzinárodnom systéme jednotiek SI je Henry (H). 1 H je definovaná ako indukčnosť takéhoto obvodu, tok indukcie vlastného magnetického poľa, ktorým je 1 Wb pri prúdovej sile 1 A. Pri zohľadnení definície indukčnosti (23.3) zo zákona elektromagnetickej indukcie (23.2), získame pre EMF samoindukcie
|
V dôsledku fenoménu samoindukcie má prúd v akomkoľvek elektrickom obvode určitú „zotrvačnosť“, a teda aj energiu. Na vytvorenie prúdu v obvode je skutočne potrebné vykonať prácu na prekonaní samoindukčného EMF. Energia obvodu s prúdom a rovná sa tejto práci. Je potrebné si zapamätať vzorec pre energiu obvodu s prúdom
|
kde je indukčnosť obvodu, je prúd v ňom.
Fenomén elektromagnetickej indukcie je široko používaný v technológii. Je založená na vytváraní elektrického prúdu v elektrických generátoroch a elektrárňach. Vďaka zákonu elektromagnetickej indukcie sa v mikrofónoch mechanické vibrácie premieňajú na elektrické vibrácie. Na základe zákona elektromagnetickej indukcie funguje najmä elektrický obvod, ktorý sa nazýva oscilačný obvod (pozri nasledujúcu kapitolu), a ktorý je základom každého rádiového vysielacieho alebo rádiového prijímacieho zariadenia.
Zvážte teraz úlohy.
Z tých, ktoré sú uvedené v úloha 23.1.1 javov, existuje len jeden dôsledok zákona elektromagnetickej indukcie - objavenie sa prúdu v prstenci, keď ním prechádza permanentný magnet (odpoveď 3 ). Všetko ostatné je výsledkom magnetickej interakcie prúdov.
Ako je uvedené v úvode tejto kapitoly, fenomén elektromagnetickej indukcie je základom činnosti alternátora ( úloha 23.1.2), t.j. zariadenie, ktoré vytvára striedavý prúd, daná frekvencia (odpoveď 2 ).
Indukcia magnetického poľa vytvoreného permanentným magnetom klesá s rastúcou vzdialenosťou od neho. Preto, keď sa magnet priblíži k prstencu ( úloha 23.1.3) sa zmení indukčný tok magnetického poľa magnetu cez krúžok a v krúžku sa objaví indukčný prúd. Je zrejmé, že sa to stane, keď sa magnet priblíži k prstencu so severným aj južným pólom. Ale smer indukčného prúdu v týchto prípadoch bude iný. Je to spôsobené tým, že keď sa magnet priblíži k prstencu s rôznymi pólmi, pole v rovine prstenca v jednom prípade bude smerovať opačne ako pole v druhom. Preto na kompenzáciu týchto zmien vo vonkajšom poli musí byť v týchto prípadoch magnetické pole indukčného prúdu nasmerované inak. Preto budú smery indukčných prúdov v kruhu opačné (odpoveď je 4 ).
Pre výskyt indukčného EMF v prstenci je potrebné, aby sa magnetický tok prstencom zmenil. A keďže magnetická indukcia magnetického poľa závisí od vzdialenosti k nemu, potom v uvažovanom prípade úloha 23.1.4 V prípade, že sa prietok cez prstenec zmení, v prstenci sa objaví indukčný prúd (odpoveď je 1
).
Pri otáčaní rámu 1 ( úloha 23.1.5) uhol medzi čiarami magnetickej indukcie (a teda aj indukčným vektorom) a rovinou rámu je kedykoľvek rovný nule. V dôsledku toho sa magnetický tok rámom 1 nemení (pozri vzorec (23.1)) a nevyskytuje sa v ňom indukčný prúd. V snímke 2 vznikne indukčný prúd: v polohe znázornenej na obrázku je magnetický tok cez neho nulový, keď sa rám otočí o štvrtinu otáčky, bude sa rovnať , kde je indukcia, je plocha rámu. Po ďalšej štvrtine otáčky bude prietok opäť nulový a tak ďalej. Preto sa tok magnetickej indukcie rámom 2 počas jeho otáčania mení, preto v ňom vzniká indukčný prúd (odpoveď je 2 ).
IN úloha 23.1.6 indukčný prúd sa vyskytuje iba v prípade 2 (odpoveď 2
). V prípade 1 zostáva rám počas pohybu v rovnakej vzdialenosti od vodiča a následne sa magnetické pole vytvorené týmto vodičom v rovine rámu nemení. Keď sa rám vzdiali od vodiča, zmení sa magnetická indukcia poľa vodiča v oblasti rámu, zmení sa magnetický tok rámom a vznikne indukčný prúd.
Zákon elektromagnetickej indukcie hovorí, že indukčný prúd v prstenci bude tiecť v takých časových okamihoch, keď sa magnetický tok cez tento prstenec zmení. Preto, keď je magnet v pokoji v blízkosti krúžku ( úloha 23.1.7) Indukčný prúd v prstenci nebude tiecť. Takže správna odpoveď na tento problém je 2 .
Podľa zákona elektromagnetickej indukcie (23.2) je indukčná EMF v ráme určená rýchlosťou zmeny magnetického toku cez ňu. A keďže podľa podmienok úlohy 23.1.8 indukcia magnetického poľa v oblasti rámu sa mení rovnomerne, rýchlosť jeho zmeny je konštantná, veľkosť indukčného emf sa počas experimentu nemení (odpoveď je 3 ).
IN úloha 23.1.9 Indukčné emf, ktoré sa vyskytuje v rámci v druhom prípade, je štyrikrát väčšie ako indukčné emf, ktoré sa vyskytuje v prvom prípade (odpoveď je 4 ). Je to spôsobené štvornásobným zväčšením plochy rámu, a teda aj magnetického toku cez ňu v druhom prípade.
IN úloha 23.1.10 v druhom prípade sa rýchlosť zmeny magnetického toku zdvojnásobí (indukcia poľa sa zmení o rovnakú hodnotu, ale za polovičný čas). Preto EMF elektromagnetickej indukcie, ktorá sa vyskytuje v ráme v druhom prípade, je dvakrát väčšia ako v prvom (odpoveď je 1 ).
Keď sa prúd v uzavretom vodiči zdvojnásobí ( úloha 23.2.1), hodnota indukcie magnetického poľa sa v každom bode priestoru zvýši dvakrát, bez zmeny smeru. Preto sa magnetický tok cez akúkoľvek malú oblasť, a teda aj celý vodič, zmení presne dvakrát (odpoveď je 1
). Ale pomer magnetického toku cez vodič k prúdu v tomto vodiči, čo je indukčnosť vodiča 
, pričom sa nezmení ( úloha 23.2.2- odpovedať 3
).
Pomocou vzorca (23.3) nájdeme v úloha 32.2.3 gn (odpoveď 4 ).
Vzťah medzi jednotkami merania magnetického toku, magnetickej indukcie a indukčnosti ( úloha 23.2.4) vyplýva z definície indukčnosti (23.3): jednotka magnetického toku (Wb) sa rovná súčinu jednotky prúdu (A) na jednotku indukčnosti (H) - odpoveď 3 .
Podľa vzorca (23.5), s dvojnásobným zvýšením indukčnosti cievky a dvojnásobným znížením prúdu v nej ( úloha 23.2.5) energia magnetického poľa cievky sa zníži 2-krát (odpoveď 2 ).
Keď sa rám otáča v rovnomernom magnetickom poli, magnetický tok rámom sa mení v dôsledku zmeny uhla medzi kolmicou k rovine rámu a vektorom magnetického poľa. A keďže v prvom a druhom prípade v úloha 23.2.6 tento uhol sa mení podľa rovnakého zákona (podľa podmienky je frekvencia otáčania rámov rovnaká), potom sa EMF indukcie mení podľa rovnakého zákona, a preto sa pomer hodnôt amplitúdy EMF indukcie v rámci sa rovná jednej (odpoveď 2 ).
Magnetické pole vytvorené vodičom s prúdom v oblasti rámu ( úloha 23.2.7), zaslané „od nás“ (pozri riešenie problémov v kapitole 22). Hodnota indukcie drôtového poľa v oblasti rámu sa bude znižovať, keď sa bude pohybovať preč od drôtu. Indukčný prúd v ráme preto musí vytvárať magnetické pole nasmerované dovnútra rámu „preč od nás“. Teraz pomocou gimletovho pravidla na nájdenie smeru magnetickej indukcie sme dospeli k záveru, že indukčný prúd v slučke bude smerovať v smere hodinových ručičiek (odpoveď je 1 ).
So zvyšujúcim sa prúdom v drôte sa ním vytvorené magnetické pole zväčší a v ráme sa objaví indukčný prúd ( úloha 23.2.8). V dôsledku toho dôjde k interakcii indukčného prúdu v slučke a prúdu vo vodiči. Ak chcete nájsť smer tejto interakcie (príťažlivosť alebo odpudzovanie), môžete nájsť smer indukčného prúdu a potom pomocou vzorca Ampère silu interakcie medzi rámom a drôtom. Ale môžete to urobiť inak, pomocou pravidla Lenz. Všetky indukčné javy musia mať taký smer, aby kompenzovali príčinu, ktorá ich spôsobuje. A keďže dôvodom je zvýšenie prúdu v slučke, sila interakcie medzi indukčným prúdom a drôtom by mala mať tendenciu znižovať magnetický tok drôtového poľa cez slučku. A keďže magnetická indukcia drôtového poľa s rastúcou vzdialenosťou k nemu klesá, táto sila odpudí rám od drôtu (odpoveď 2 ). Ak by sa prúd v drôte znížil, rám by bol priťahovaný k drôtu.
Úloha 23.2.9 súvisí aj so smerom indukčných javov a Lenzovým pravidlom. Keď sa magnet priblíži k vodivému krúžku, objaví sa v ňom indukčný prúd a jeho smer bude taký, aby kompenzoval príčinu, ktorá ho spôsobuje. A keďže týmto dôvodom je priblíženie magnetu, prsteň sa od neho bude odpudzovať (odpoveď 2 ). Ak sa magnet odkloní od krúžku, potom z rovnakých dôvodov dôjde k priťahovaniu krúžku k magnetu.
Úloha 23.2.10 je jediným výpočtovým problémom v tejto kapitole. Ak chcete nájsť EMF indukcie, musíte nájsť zmenu magnetického toku cez obvod 
. Dá sa to urobiť takto. Nechajte prepojku v určitom okamihu v polohe znázornenej na obrázku a nechajte prejsť malý časový interval. Počas tohto časového intervalu sa prepojka posunie o hodnotu . Tým sa zväčší oblasť obrysu 
podľa sumy 
. Preto bude zmena magnetického toku cez obvod rovnaká a veľkosť indukčného emf 
(odpoveď 4
).
V lekcii sa dozvieme o pre nás novom koncepte - magnetický tok - a zvážime, ako sa vyznačuje.
Pripomeňme, že pri zmene parametrov magnetického poľa v blízkosti uzavretého vodiča v ňom vzniká prúd. Tento prúd sa nazýva indukčný prúd a javom je fenomén elektromagnetickej indukcie.
Otázkou však zostáva, aké konkrétne parametre magnetického poľa potrebujeme na dosiahnutie tohto efektu. Začnime experimentom:
Na jeho vykonanie potrebujeme: cievku s veľkým počtom závitov a k nej pripojený ampérmeter. Počas experimentu dávajte pozor na správanie strelky ampérmetra (obr. 1).
Ryža. 1. Faradayove pokusy
Ako vidíme, pri spúšťaní a vyberaní tyčového magnetu z cievky v ňom vzniká indukčný prúd.
Analyzujme, ktorá zmena parametra viedla k pozorovanému efektu. Keď sa magnet približuje a vzďaľuje od cievky, mení sa sila magnetického poľa v ňom.
Hodnota, ktorá ovplyvňuje vznik indukčného prúdu v cievke, je teda sila magnetického poľa.
Pripomeňme, že je opísaná takou veličinou ako magnetická indukcia. Je to vektor a označuje sa a meria v T.
Uzavretý drôtený krúžok umiestnený kolmo na magnetické pole je z viacerých strán stlačený tak, že mení svoj tvar (obr. 2).
Ryža. 2. Ilustrácia pre skúsenosť
V tomto prípade sa počas procesu deformácie v krúžku objaví indukčný prúd. Čo sme zmenili tentokrát?
Teraz bola oblasť prstenca zmenená. Samozrejme, namiesto krúžku môžete experimentovať s akýmkoľvek uzavretým vodičom.
Obvod je uzavretý vodič (obr. 3).
Ryža. 3. Obrys
Ryža. 4. Generátor
Jeho hlavnými prvkami sú (obr. 4):
- cievka, ktorá sa môže otáčať okolo svojej osi;
- permanentný magnet okolo cievky.
Keď sa cievka otáča v magnetickom poli, môžete vidieť, že sa žiarovka rozsvieti (t. j. v obvode sa objaví indukčný prúd).
Z tejto skúsenosti môžeme usúdiť, že jav elektromagnetickej indukcie sa prejavuje aj pri otáčaní cievky alebo vodivého rámu v magnetickom poli (obr. 5), t.j. keď je uhol medzi magnetickými čiarami a rovinou vodiča. zmeny.
Ryža. 5. Ilustrácia pre skúsenosť
Všetky tri parametre, ktorých zmeny ovplyvňujú veľkosť indukčného prúdu, spája fyzikálna veličina nazývaná magnetický tok.
IN - modul magnetickej indukcie poľa
S- obrysová oblasť
Charakterizuje umiestnenie roviny obrysu vzhľadom na magnetickú čiaru.
Magnetický tok sa meria vo Weber (Wb) a označuje sa písmenom F.
Magnetický tok je teda úmerný modulu magnetickej indukcie poľa, ploche obvodu a závisí od polohy roviny obvodu vzhľadom na magnetickú čiaru.
Úloha analyzovať parametre magnetického toku
Aby ste sa naučili vyvodiť závery o zmene magnetického toku v prvkoch rôznych elektrických obvodov, čo môže viesť k prítomnosti nežiaducich indukčných prúdov, zvážte problém.
Cievka drôtu s oceľovým jadrom je zapojená do obvodu jednosmerného prúdu v sérii s reostatom a kľúčom (obr. 6).
Ryža. 6. Ilustrácia problému
Elektrický prúd pretekajúci vetvami cievky vytvára v priestore okolo nej magnetické pole (obr. 7). V poli cievky je rovnaká cievka.
Ryža. 7. Ilustrácia problému
Ako môžete zmeniť magnetický tok prenikajúci do cievky? Zvážte všetky možné možnosti.
Pripomeňme si, ktorá zmena parametrov vedie k zmene magnetického toku.
Začnime zmenou indukcie magnetického poľa cievky.To sa dá dosiahnuť zmenou sily prúdu, ktorý generuje jej magnetické pole. Prúd v zobrazenom obvode môžete zmeniť dvoma spôsobmi:
1. Posunutím jazdca reostatu
2. Zapnutie/vypnutie kľúča
Stojí za zmienku, že zmena aktuálnej hodnoty bude najväčšia z maxima na nulu, čo povedie k najväčšej zmene magnetického toku v cievke.
Ďalším parametrom, ktorého zmena ovplyvní hodnotu magnetického toku, je oblasť obvodu. V našom prípade cievky Ale nemôžeme zmeniť plochu prierezu cievky. Preto je možnosť mimo.
Poslednou možnosťou zmeny magnetického toku je otáčanie cievky voči magnetickým čiaram cievky. Pre dosiahnutie maximálneho výsledku zmeny je potrebné otočiť cievku o 90 (obr. 8).
Ryža. 8. Ilustrácia problému
Čo je opísané magnetickým tokom?
Ako sme už uviedli, závisí to od:
- Zo sily magnetického poľa
- Z oblasti obrysu, cez ktorý tieto magnetické čiary prechádzajú
- Z uhla umiestnenia medzi obrysom a magnetickými čiarami
teda magnetický tok charakterizuje počet magnetických čiar prenikajúcich obmedzeným obrysom.
Dá sa to ľahko skontrolovať.
1. Porovnajme počet čiar, ktoré pretínajú ten istý obrys, ale v magnetických poliach rôznej sily (obr. 9).
V silnejšom poli obrys prerezáva viac čiar.
Ryža. 9. Ilustrácia problému
2. Ak porovnáme počet čiar, ktoré v rovnakom rovnomernom magnetickom poli prenikajú cez obrysy rôznej oblasti, potom ich je cez väčší obrys zjavne viac (obr. 10).
Ryža. 10. Ilustrácia problému
3. Ak porovnáme rotáciu obrysu v magnetickom poli pod uhlom k magnetickým čiaram a jeho umiestnenie pozdĺž čiar, tak v prvom prípade bude ich počet cez rovinu obrysu maximálny. A v druhom sa magnetické čiary budú kĺzať po obryse a vôbec ho nepreniknú (obr. 11).
V týchto príkladoch väčší počet vedení cez obvod zodpovedal väčšiemu magnetickému toku.
V dôsledku toho poznamenávame, že keďže veľkosť indukčného prúdu závisí od zmeny magnetickej indukcie, oblasti obvodu a jeho orientácie v priestore, je zvykom hovoriť, že závisí od zmien v magnetický tok.
Faradayove experimenty navyše ukázali, že dôležitá je rýchlosť zmeny magnetického toku. Čím rýchlejšie tieto hodnoty zmeníte, tým väčšia bude hodnota indukčného prúdu.
Možno teda tvrdiť, že fenomén elektromagnetickej indukcie je charakterizovaný rýchlosťou zmeny magnetického toku.
Úloha určiť podmienky pre vznik indukčného prúdu
Aby ste pochopili vzťah medzi magnetickým tokom cez obvod a fenoménom elektromagnetickej indukcie v ňom, zvážte problém:
Malá cievka sa pohybuje dopredu v rovnomernom magnetickom poli. Je v cievke indukovaný prúd? Odpoveď zdôvodnite.
Ryža. 12. Ilustrácia problému
Môže sa zdať, že vplyvom pohybu cievky môže dochádzať k zmenám, ktorých dôsledkom bude vznik indukčného prúdu v jej závitoch (obr. 12).
Pripomeňme, že predpokladom pre vznik indukčného prúdu je zmena magnetického toku cez závity cievky. To si vyžaduje zmenu magnetickej indukcie cez obvod cievky. Čo sa nedodržiava, pretože podľa podmienok je pole jednotné.
Okrem toho je možné zmeniť plochu prierezu cievky, ktorá tiež nie je pozorovaná.
Poslednou možnou možnosťou je zmeniť uhol natočenia roviny cievky voči siločiaram magnetického poľa, k čomu samozrejme tiež nedochádza, pretože pohyb je translačný, čo znamená, že nie sú pozorované žiadne rotácie cievky.
Preto sme dospeli k záveru, že magnetický tok sa nezmení, respektíve nevznikne indukčný prúd ani v závitoch cievky.
Porovnanie magnetického toku s prietokom vody
Názov novej fyzikálnej veličiny nami skúmaného magnetického toku nie je náhodný. Faktom je, že magnetický tok obvodom možno porovnať s prietokom vody prstencom, ktorý je umiestnený v potrubí (obr. 13). (1)
Čím väčšia je rýchlosť vody, tým viac prejde prstencom za jednotku času. (2)
Čím väčšia je plocha prstenca, tým viac vody ním pretečie v sledovanom čase. (3)
Ak sa krúžok otáča, keď je priečny k prúdu vody, rovinou krúžku pretečie maximálne množstvo vody. (4)
Ak ho začnete otáčať pod ostrým uhlom k prúdu, potom bude tiecť stále menej vody. (5)
Ryža. 13. Porovnanie magnetického toku s prúdením vody
A pri otáčaní pozdĺž odtoku voda vôbec neprejde prstencom, ale bude kĺzať pozdĺž neho. (6)
Uvažovali sme o podobných vlastnostiach pre magnetický tok.
V lekcii sme si vysvetlili, ktoré parametre magnetického poľa a obvodu je potrebné zmeniť, aby sme pozorovali jav elektromagnetickej indukcie. Spojili sme to do konceptu „magnetického toku“.
Bibliografia
- Aksenovič L. A. Fyzika na strednej škole: teória. Úlohy. Testy: Proc. príspevok pre inštitúcie poskytujúce všeobecné. prostredia, vzdelávanie.
- Yavorsky B.M., Pinsky A.A., Fundamentals of Physics, v.2., - M. Fizmatlit., 2003.
- Základná učebnica fyziky. Ed. G.S. Landsberg, T. 3. - M., 1974.
- Festival.1september.ru ().
- Nvtc.ee ().
- Сlass-fizika.narod.ru ().
Domáca úloha
- Čo určuje magnetický tok prenikajúci oblasťou plochého obvodu umiestneného v rovnomernom magnetickom poli?
- Ako sa zmení magnetický tok so zvýšením magnetickej indukcie n-krát, ak sa nemení plocha ani orientácia obvodu?
- Zmení sa magnetický tok pri takom otáčaní obvodu, keď do neho potom prenikajú čiary magnetickej indukcie. potom skĺznuť po jeho rovine?
