Взаємозв'язок електричних та магнітних полів помічений дуже давно. Цей зв'язок ще в 19 столітті виявив англійський вчений-фізик Фарадей і дав йому назву. Вона виникає тоді, коли магнітний потік пронизує поверхню замкнутого контуру. Після того, як відбувається зміна магнітного потоку протягом певного часу, в цьому контурі спостерігається поява електричного струму.
Взаємозв'язок електромагнітної індукції та магнітного потоку
Суть магнітного потоку відображається відомою формулою Ф = BS cos α. У ній Ф є магнітним потоком, S – поверхня контуру (площа), В – вектор магнітної індукції. Кут утворюється за рахунок напрямку вектора магнітної індукції і нормалі до поверхні контуру. Звідси випливає, що максимального порога магнітний потік досягне при cos = 1, а мінімального - при cos = 0.
У другому варіанті вектор буде перпендикулярний до нормалі. Виходить, що лінії потоку не перетинають контур, а лише ковзають його площиною. Отже, визначати характеристики будуть лінії вектора, що перетинають поверхню контуру. Для розрахунку як одиниця виміру використовується вебер: 1 вб = 1в х 1с (вольт-секунда). Ще однією, дрібнішою одиницею виміру служить максвел (мкс). Він становить: 1 вб = 108 мкс, тобто 1 мкс = 10-8 вб.
Для дослідження Фарадеєм були використані дві дротяні спіралі, ізольовані між собою та розміщені на котушці з дерева. Одна з них поєднувалася з джерелом енергії, а інша – з гальванометром, призначеним для реєстрації малих струмів. У той момент, коли ланцюг первісної спіралі замикався і розмикався, в іншому ланцюзі стрілка вимірювального пристрою відхилялася.
Проведення досліджень явища індукції
У першій серії дослідів Майкл Фарадей вставляв намагнічений металевий брусок у котушку, підключену до струму, а потім виймав його назовні (мал. 1, 2).
1 
2 
У разі поміщення магніту в котушку, підключену до вимірювального приладу, в ланцюзі починає протікати індукційний струм. Якщо магнітний брусок видаляється з котушки, індукційний струм все одно з'являється, але його напрямок стає протилежним. Отже, параметри індукційного струму будуть змінені у напрямку руху бруска та залежно від полюса, яким він поміщається в котушку. На силу струму впливає швидкість переміщення магніту.
У другій серії дослідів підтверджується явище, при якому струм, що змінюється, в одній котушці, викликає індукційний струм в іншій котушці (рис. 3, 4, 5). Це відбувається в моменти замикання та розмикання ланцюга. Від того, замикається або розмикається електричний ланцюг, залежатиме і напрямок струму. Крім того, ці дії є ні що інше, як способи зміни магнітного потоку. При замиканні ланцюга він збільшуватиметься, а при розмиканні - зменшуватиметься, одночасно пронизуючи першу котушку.
3 
4 
5 
В результаті дослідів було встановлено, що виникнення електричного струму всередині замкнутого провідного контуру можливе лише в тому випадку, коли вони містяться в змінному магнітному полі. При цьому потік може змінюватися в часі будь-якими способами.
Електричний струм, що з'являється під дією електромагнітної індукції, отримав назву індукційного, хоча це не буде струмом у загальноприйнятому розумінні. Коли замкнутий контур виявляється у магнітному полі, відбувається генерація ЕРС з точним значенням, а чи не струму, залежить від різних опорів.
Дане явище отримало назву ЕРС індукції, яку відображає формула: Еінд = - ∆Ф/∆t. Її значення збігається зі швидкістю змін магнітного потоку, що пронизує поверхню замкнутого контуру, взятого з негативним значенням. Мінус, присутній у цьому вираженні, є відображенням правила Ленца.
Правило Ленца щодо магнітного потоку
Відоме правило було виведено після проведення циклу досліджень у 30-ті роки 19 століття. Воно сформульовано у такому вигляді:
Напрямок індукційного струму, що збуджується в замкнутому контурі магнітним потоком, що змінюється, впливає на створюване ним магнітне поле таким чином, що воно в свою чергу створює перешкоду магнітному потоку, що викликає появу індукційного струму.
Коли магнітний потік збільшується, тобто стає Ф > 0, а ЕРС індукції знижується і стає Еінд< 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.
Якщо потік знижується, то настає зворотний процес, коли Ф< 0 и Еинд >0, тобто дія магнітного поля індукційного струму відбувається збільшення магнітного потоку, що проходить через контур.
Фізичний зміст правила Ленца полягає у відображенні закону збереження енергії, коли при зменшенні однієї величини інша збільшується, і, навпаки, при збільшенні однієї величини інша зменшуватиметься. Різні чинники впливають і ЕРС індукції. При введенні в котушку по черзі сильного і слабкого магніту, прилад відповідно показуватиме в першому випадку більш високе, а в другому - нижче значення. Те саме відбувається, коли змінюється швидкість руху магніту.
На представленому малюнку видно, як визначається напрямок індукційного струму із застосуванням правила Ленца. Синій колір відповідає силовим лініям магнітних полів індукційного струму та постійного магніту. Вони розташовані у напрямку полюсів від півночі на південь, які є у кожному магніті.
Магнітний потік, що змінюється, призводить до виникнення індукційного електричного струму, напрям якого викликає протидію з боку його магнітного поля, що перешкоджає змінам магнітного потоку. У зв'язку з цим, силові лінії магнітного поля котушки спрямовані у бік, протилежний силовим лініям постійного магніту, оскільки його рух відбувається у бік цієї котушки.
Для визначення напрямку струму використовується з правим різьбленням. Він повинен вкручуватися таким чином, щоб напрям його поступального руху збігався з напрямом індукційних ліній котушки. У цьому випадку напрями індукційного струму та обертання рукоятки свердловина збігатимуться.
Електричніі магнітні поляпороджуються одними й тими самими джерелами – електричними зарядами, тому можна припустити, що з цими полями існує певний зв'язок. Це припущення знайшло експериментальне підтвердження 1831 р. у дослідах видатного англійського фізика М.Фарадея. Він відкрив явище електромагнітної індукції.
Явище електромагнітної індукціїлежить в основі роботи індукційних генераторів електричного струму, на які припадає вся електроенергія, що виробляється у світі.
- Магнітний потік
Кількісною характеристикою процесу зміни магнітного поля через замкнутий контур є фізична величина магнітним потоком. Магнітним потоком (Ф) через замкнутий контур площею (S) називають фізичну величину, рівну добутку модуля вектора магнітної індукції (В) на площу контуру (S) та на косинус кута міжвектором В та нормаллю до поверхні: Φ = BS cos α. Одиниця магнітного потоку Ф-вебер (Вб): 1 Вб = 1 Тл · 1 м 2 .
перпендикулярний максимальний.
Якщо вектор магнітної індукції паралельнийплощі контуру, то магнітний потік дорівнює нулю.
- Закон електромагнітної індукції
Досвідченим шляхом було встановлено закон електромагнітної індукції: ЕРС індукції в замкнутому контурі дорівнює модулю швидкості зміни магнітного потоку через поверхню, обмежену контуром: Ця формула носить назву закону Фарадея .
Класичною демонстрацією основного закону електромагнітної індукції є досвід Фарадея. У ньому, що швидше переміщати магніт через витки котушки, то більше вписувалося виникає індукційний струм у ній, отже, і ЕРС індукції.
- Правило Ленца
Залежність напрями індукційного струму від характеру зміни магнітного поля через замкнутий контур 1833 р. досвідченим шляхом встановив російський фізик Е.Х.Ленц. Згідно правилу Ленца , що виникає в замкнутому контурі індукційний струм своїм магнітним полем протидіє зміні магнітного потоку, яким він викликаний.Коротше це правило можна сформулювати наступним чином: індукційний струм спрямований так, щоб перешкоджати причини, що його викликає. Правило Ленца відбиває той експериментальний факт, що мають протилежні знаки (знак «мінус» в формулі Фарадея).
Ленцем був сконструйований прилад, що є двома алюмінієвими кільцями, суцільним і розрізаним, укріплені на алюмінієвій перекладині. Вони могли обертатися навколо осі, як коромисло. При внесенні магніту в суцільне кільце воно починало тікати від магніту, повертаючи відповідно коромисло. При винесенні магніту з кільця воно прагнуло "наздогнати" магніт. При русі магніту всередині розрізаного кільця ніякого руху не відбувалося. Ленц пояснював досвід тим, що магнітне поле індукційного струму прагнуло компенсувати зміну зовнішнього магнітного потоку.
Правило Ленца має глибоке фізичне значення – воно виражає закон збереження енергії.
Запитання.
1. Від чого залежить магнітний потік, що пронизує площу плоского контуру, поміщеного в однорідне магнітне поле?
Від вектора магнітної індукції, площі контуру S, і його орієнтації.
2. Як змінюється магнітний потік зі збільшенням у n разів магнітної індукції, якщо ні площа, ні орієнтація контуру не змінюються?
Збільшується у n разів.
3. При якій орієнтації контуру по відношенню до ліній магнітної індукції магнітний потік, що пронизує площу цього контуру, максимальний? дорівнює нулю?
Магнітний потік максимальний, якщо площина контуру перпендикулярна до ліній магнітної індукції і дорівнює нулю, коли паралельна.
4. Чи змінюється магнітний потік при такому обертанні контуру, коли лінії магнітної індукції пронизують його. то ковзають його площиною?
Так. У разі коли змінюється кут нахилу магнітних ліній щодо площини контуру, змінюється і магнітний потік.
Вправи.
1. Дротова котушка К, із сталевим сердечником включена в ланцюг джерела постійного струму послідовно з реостатом R та ключем К (рис. 125). Електричний струм, що протікає по витках котушки К 1 створює в просторі навколо неї магнітне поле. У полі котушки К1 знаходиться така сама котушка К2. Як можна змінювати магнітний потік, що пронизує котушку К 2 ? Розгляньте всі можливі варіанти.
Магнітний потік, що пронизує котушку До 2, можна змінювати: 1) змінюючи силу струму I реостатом; 2) замиканням-розмиканням ключа; 3) змінюючи орієнтацію котушки До 2.
Якщо в магнітному полі знаходиться замкнутий провідний контур, що не містить джерел струму, то при зміні магнітного поля в контурі виникає електричний струм. Це називається електромагнітної індукцією. Поява струму свідчить про виникнення у контурі електричного поля, що може забезпечити замкнутий рух електричних зарядів або, іншими словами, виникнення ЕРС. Електричне поле, яке виникає при зміні магнітного поля і робота якого при переміщенні зарядів по замкнутому контуру не дорівнює нулю, має замкнуті силові лінії і називається вихровим.
Для кількісного опису електромагнітної індукції вводиться поняття магнітного потоку (або векторного потоку магнітної індукції) через замкнутий контур. Для плоского контуру, розташованого в однорідному магнітному полі (а тільки такі ситуації можуть зустрітися школярам на єдиному державному іспиті), магнітний потік визначається як
де - індукція поля, - площа контуру, - кут між вектором індукції та нормаллю (перпендикуляром) до площини контуру (див. малюнок; перпендикуляр до площини контуру показаний пунктиром). Одиницею магнітного потоку в міжнародній системі одиниць вимірювань СІ є Вебер (Вб), який визначається як магнітний потік через контур площі 1 м 2 однорідного магнітного поля з індукцією 1 Тл перпендикулярної площині контуру.
Величина ЕРС індукції, що виникає в контурі при зміні магнітного потоку через цей контур, дорівнює швидкості зміни магнітного потоку
|
Тут-зміна магнітного потоку через контур за малий інтервал часу. Важливою властивістю закону електромагнітної індукції (23.2) є його універсальність по відношенню до причин зміни магнітного потоку: магнітний потік через контур може змінюватися через зміну індукції магнітного поля, зміну площі контуру або зміну кута між вектором індукції та нормаллю, що відбувається при обертанні контуру в полі. У всіх цих випадках згідно із законом (23.2) у контурі виникатиме ЕРС індукції та індукційний струм.
Знак мінус у формулі (23.2) "відповідає" за напрям струму, що виникає в результаті електромагнітної індукції (правило Ленца). Однак зрозуміти мовою закону (23.2), до якого напрямку індукційного струму приведе цей знак при тій чи іншій зміні магнітного потоку через контур, не так просто. Але досить легко запам'ятати результат: індукційний струм буде спрямований таким чином, що створене ним магнітне поле «прагне» компенсувати зміну зовнішнього магнітного поля, яке цей струм і породило. Наприклад, при збільшенні потоку зовнішнього магнітного поля через контур у ньому виникне індукційний струм, магнітне поле якого буде спрямоване протилежно до зовнішнього магнітного поля так, щоб зменшити зовнішнє поле і зберегти, таким чином, початкову величину магнітного поля. При зменшенні потоку поля через контур поле індукційного струму буде спрямоване так само, як зовнішні магнітне поле.
Якщо в контурі зі струмом струм через якісь причини змінюється, то змінюється і магнітний потік через контур того магнітного поля, яке створено самим цим струмом. Тоді згідно із законом (23.2) у контурі має виникати ЕРС індукції. Явище виникнення ЕРС індукції в деякому електричному ланцюзі в результаті зміни струму в цьому ланцюзі називається самоіндукцією. Для знаходження ЕРС самоіндукції в деякому електричному ланцюзі необхідно обчислити потік магнітного поля, створюваного цим ланцюгом через неї саму. Таке обчислення є складною проблемою через неоднорідність магнітного поля. Однак одна властивість цього потоку є очевидною. Оскільки магнітне поле, створюваного струмом в ланцюзі, пропорційно величині струму, то і магнітний потік власного поля через ланцюг пропорційний струму в цьому ланцюзі
|
де - сила струму в ланцюзі, - коефіцієнт пропорційності, який характеризує «геометрію» ланцюга, але не залежить від струму в ньому і називається індуктивністю цього кола. Одиницею індуктивності у міжнародній системі одиниць СІ є Генрі (Гн). 1 Гн визначається як індуктивність такого контуру, потік індукції власного магнітного поля через який дорівнює 1 Вб при силі струму в ньому 1 А. З урахуванням визначення індуктивності (23.3) із закону електромагнітної індукції (23.2) отримуємо для ЕРС самоіндукції
|
Завдяки явищу самоіндукції струм у будь-якому електричному ланцюзі має певну «інерційність» і, отже, енергію. Дійсно, для створення струму в контурі необхідно здійснити роботу з подолання ЕРС самоіндукції. Енергія контуру зі струмом і дорівнює цій роботі. Необхідно запам'ятати формулу для енергії контуру зі струмом
|
де - індуктивність контуру, - сила струму у ньому.
Явище електромагнітної індукції широко застосовується у техніці. На ньому засновано створення електричного струму в електричних генераторах та електростанціях. Завдяки закону електромагнітної індукції відбувається перетворення механічних коливань на електричні в мікрофонах. На основі закону електромагнітної індукції працює, зокрема, електричний ланцюг, який називається коливальним контуром (див. наступний розділ), і який є основою будь-якої радіопередаючої або радіоприймаючої техніки.
Розглянемо тепер завдання.
З перерахованих у Завдання 23.1.1явищ тільки одне є наслідком закону електромагнітної індукції - поява струму в кільці при проведенні крізь нього постійного магніту (відповідь 3 ). Решта - результат магнітного взаємодії струмів.
Як вказувалося у вступі до цього розділу, явище електромагнітної індукції лежить в основі роботи генератора змінного струму ( Завдання 23.1.2), тобто. приладу, що створює змінний струм, заданої частоти (відповідь 2 ).
Індукція магнітного поля, створюваного постійним магнітом, зменшується із збільшенням відстані до нього. Тому при наближенні магніту до кільця ( Завдання 23.1.3) Потік індукції магнітного поля магніту через кільце змінюється, і в кільці виникає індукційний струм. Очевидно, це відбуватиметься при наближенні магніту до кільця і північним, і південним полюсом. А ось напрямок індукційного струму в цих випадках буде різним. Це пов'язано з тим, що при наближенні магніту до кільця різними полюсами поле в площині кільця в одному випадку буде спрямоване протилежно полю в іншому. Тому для компенсації цих змін зовнішнього поля магнітне поле індукційного струму має бути у цих випадках направлено по-різному. Тому напрями індукційних струмів у кільці будуть протилежними (відповідь 4 ).
Для виникнення ЕРС індукції в кільці необхідно змінюватися магнітний потік через кільце. А оскільки магнітна індукція поля магніту залежить від відстані до нього, то розглядається в задачі 23.1.4у разі потік через кільце змінюватиметься, в кільці виникне індукційний струм (відповідь 1
).
При обертанні рамки 1 ( Завдання 23.1.5) кут між лініями магнітної індукції (а, отже, і вектором індукції) та площиною рамки у будь-який момент часу дорівнює нулю. Отже, магнітний потік через рамку 1 не змінюється (див. формулу (23.1)) і індукційний струм в ній не виникає. У рамці 2 індукційний струм виникне: у положенні, показаному на малюнку, магнітний потік через неї дорівнює нулю, коли рамка повернеться на чверть обороту - дорівнюватиме , де - індукція, - площа рамки. Ще через чверть обороту потік знову дорівнюватиме нулю і т.д. Тому потік магнітної індукції через рамку 2 змінюється у процесі її обертання, отже, у ній виникає індукційний струм (відповідь 2 ).
У задачі 23.1.6індукційний струм виникає тільки у випадку 2 (відповідь 2
). Дійсно, у разі 1 рамка при русі залишається на тому самому відстані від провідника, і, отже, магнітне поле, створене цим провідником у площині рамки, не змінюється. При видаленні рамки від провідника магнітна індукція поля провідника в області рамки змінюється, змінюється магнітний потік через рамку, і виникає індукційний струм
У законі електромагнітної індукції стверджується, що індукційний струм у кільці буде текти у такі моменти часу, коли змінюється магнітний потік через це кільце. Тому поки що магніт спочиває біля кільця ( Завдання 23.1.7) індукційний струм у кільці текти не буде. Тому правильна відповідь у цьому завданні - 2 .
Відповідно до закону електромагнітної індукції (23.2) ЕРС індукції у рамці визначається швидкістю зміни магнітного потоку через неї. А оскільки за умовою Завдання 23.1.8індукція магнітного поля в області рамки змінюється рівномірно, швидкість її зміни стала, величина ЕРС індукції не змінюється в процесі проведення досвіду (відповідь 3 ).
У задачі 23.1.9ЕРС індукції, що виникає в рамці у другому випадку, вчетверо більше за ЕРС індукції, що виникає в першому (відповідь 4 ). Це з чотирикратним збільшенням площі рамки і, магнітного потоку через неї у другому випадку.
У задачі 23.1.10у другому випадку вдвічі збільшується швидкість зміни магнітного потоку (індукція поля змінюється на ту саму величину, але за вдвічі менший час). Тому ЕРС електромагнітної індукції, що виникає в рамці у другому випадку, вдвічі більше, ніж у першому (відповідь 1 ).
При збільшенні струму в замкнутому провіднику вдвічі ( Завдання 23.2.1), величина індукції магнітного поля зросте в кожній точці простору вдвічі, не змінившись у напрямку. Тому рівно вдвічі зміниться магнітний потік через будь-який малий майданчик і, відповідно, і весь провідник (відповідь 1
). А ось відношення магнітного потоку через провідник до струму в цьому провіднику, яке і є індуктивністю провідника 
, при цьому не зміниться ( Завдання 23.2.2- відповідь 3
).
Використовуючи формулу (23.3) знаходимо в задачі 32.2.3Гн (відповідь 4 ).
Зв'язок між одиницями вимірювань магнітного потоку, магнітної індукції та індуктивності ( завдання 23.2.4) Випливає з визначення індуктивності (23.3): одиниця магнітного потоку (Вб) дорівнює добутку одиниці струму (А) на одиницю індуктивності (Гн) - відповідь 3 .
Відповідно до формули (23.5) при дворазовому збільшенні індуктивності котушки та дворазовому зменшенні струму в ній ( Завдання 23.2.5) енергія магнітного поля котушки зменшиться в 2 рази (відповідь 2 ).
Коли рамка обертається в однорідному магнітному полі, магнітний потік через рамку змінюється через зміну кута між перпендикуляром до площини рамки та вектором індукції магнітного поля. А оскільки і в першому і другому випадку у задачі 23.2.6цей кут змінюється за одним і тим самим законом (за умовою частота обертання рамок однакова), то ЕРС індукції змінюються за одним і тим же законом, і, отже, відношення амплітудних значень ЕРС індукції в межах дорівнює одиниці (відповідь 2 ).
Магнітне поле, створюване провідником зі струмом в області рамки ( завдання 23.2.7), спрямоване «від нас» (див. Розв'язання задач глави 22). Величина індукції поля дроту в області рамки при віддаленні від дроту буде зменшуватися. Тому індукційний струм у рамці має створити магнітне поле, спрямоване всередині «від нас». Використовуючи тепер правило свердла для знаходження напрямку магнітної індукції, укладаємо, що індукційний струм у рамці буде направлений за годинниковою стрілкою (відповідь 1 ).
При збільшенні струму у дроті зростатиме створене ним магнітне поле й у рамці виникне індукційний струм ( завдання 23.2.8). В результаті виникне взаємодія індукційного струму в рамці та струму у провіднику. Щоб знайти напрямок цієї взаємодії (тяжіння або відштовхування) можна знайти напрямок індукційного струму, а потім за формулою Ампера силу взаємодії рамки з дротом. Але можна вчинити і інакше, використовуючи правило Ленца. Всі індукційні явища повинні мати такий напрямок, щоб компенсувати причину, що їх викликає. А оскільки причина - збільшення струму в рамці, сила взаємодії індукційного струму та дроту має прагнути зменшити магнітний потік поля дроту через рамку. А оскільки магнітна індукція поля дроту зменшується зі збільшенням відстані до нього, то ця сила відштовхуватиме рамку від дроту (відповідь 2 ). Якби струм у дроті зменшувався, то рамка притягувалася до проводу.
Завдання 23.2.9також пов'язана з напрямом індукційних явищ та правилом Ленца. При наближенні магніту до провідного кільця в ньому виникне індукційний струм, причому напрямок його буде таким, щоб компенсувати причину, що викликає його. А оскільки ця причина - наближення магніту, кільце відштовхуватиметься від нього (відповідь 2 ). Якщо магніт відсувати від кільця, то з тих же причин виникло б тяжіння кільця до магніту.
Завдання 23.2.10- єдине обчислювальне завдання у цьому розділі. Для знаходження ЕРС індукції потрібно знайти зміну магнітного потоку через контур 
. Це можна зробити так. Нехай у певний час перемичка перебувала у положенні, показаному малюнку, і нехай пройшов малий інтервал часу . За цей інтервал часу перемичка переміститься на величину. Це призведе до збільшення площі контуру 
на величину 
. Тому зміна магнітного потоку через контур дорівнюватиме , а величина ЕРС індукції 
(відповідь 4
).
На уроці ми дізнаємося про нове нам поняття - магнітний потік - і розглянемо, що він характеризується.
Згадаймо, що за зміни параметрів магнітного поля поблизу замкнутого провідника у ньому виникає струм. Цей струм отримав назву струму індукції, а явище - явище електромагнітної індукції.
Однак залишається питання, які конкретно параметри магнітного поля нам потрібні для отримання даного ефекту. Для початку проведемо експеримент:
Для його проведення нам необхідно: котушка з великою кількістю витків та підключений до неї амперметр. Під час проведення досвіду зверніть увагу до поведінка стрілки амперметра (рис. 1).
Мал. 1. Досліди Фарадея
Як бачимо, при опусканні і вийманні смугового магніту з котушки у ній утворюється індукційний струм.
Проаналізуємо, зміна якого саме параметра призвела до ефекту, що спостерігається. При наближенні та віддаленні магніту від котушки в ній змінюється сила магнітного поля.
Отже, величиною, що впливає утворення струму індукції в котушці, є сила магнітного поля.
Згадаймо, що вона описується такою величиною, як магнітна індукція. Вона є вектором і позначається та вимірюється в Тл.
Вміщене перпендикулярно магнітному полю замкнуте дротяне кільце стискаємо з кількох сторін, щоб воно змінило свою форму (рис. 2).
Мал. 2. Ілюстрація до досвіду
При цьому протягом процесу деформації у кільці виникає струм індукції. Що ж ми зраджували цього разу?
Тепер на зміну зазнала площа кільця. Звичайно ж, замість кільця можна експериментувати із будь-яким замкнутим провідником.
Контур – замкнутий провідник (рис. 3).
Мал. 3. Контур
Мал. 4. Генератор
Його основними елементами є (рис. 4):
- котушка, яка може обертатися довкола своєї осі;
- встановлений навколо котушки постійний магніт.
При обертанні котушки в магнітному полі можна побачити, що лампочка спалахує (тобто в ланцюзі виникає струм індукції).
З цього досвіду можна зробити висновок про те, що явище електромагнітної індукції проявляє себе і при повороті котушки або провідної рамки в магнітному полі (рис. 5), тобто при зміні кута між магнітними лініями та площиною провідника.
Мал. 5. Ілюстрація до досвіду
Усі три параметри, зміни яких впливають величину струму індукції, об'єднує фізична величина під назвою магнітний потік.
В -модуль магнітної індукції поля
S- площа контуру
Характеризує розташування площини контуру щодо магнітної лінії.
Магнітний потік вимірюють у Веберах (Вб) та позначають буквою Ф.
Таким чином, магнітний потік пропорційний модулю магнітної індукції поля, площі контуру та залежить від розташування площини контуру щодо магнітної лінії.
Завдання на аналіз параметрів магнітного потоку
Для того, щоб навчитися робити висновки про зміну магнітного потоку в елементах різних електричних кіл, що може призвести до наявності небажаних індукційних струмів, розглянемо завдання.
Дротова котушка зі сталевим осердям включена в ланцюг постійного струму послідовно з реостатом і ключем (рис. 6).
Мал. 6. Ілюстрація до завдання
Електричний струм, що протікає по гілках котушки, створює навколо неї магнітне поле (рис. 7). У полі котушки і знаходиться така сама котушка.
Мал. 7. Ілюстрація до завдання
Як можна змінити магнітний потік пронизує котушку? Розгляньте всі можливі варіанти.
Згадаймо, зміна яких параметрів призводить до зміни магнітного потоку.
Почнемо зі зміни індукції магнітного поля котушки. Цього можна досягти, якщо змінювати силу струму, яка породжує її магнітне поле. Змінювати струм у зображеному ланцюгу можна двома способами:
1. Пересування повзунка реостату
2. Увімкнення/вимкнення ключа
Варто відзначити, що зміна значення струму буде найбільшою від максимального до нуля, що призведе до найбільшої зміни магнітного потоку в котушці.
Наступним параметром, зміна якого вплине значення магнітного потоку, є площа контуру. Але змінити площу перерізу котушки ми не можемо. Отже, варіант відпадає.
Останнім варіантом зміни магнітного потоку є поворот котушки щодо магнітних ліній котушки. Для досягнення максимального результату зміни повернути котушку необхідно на 90 (рис. 8).
Мал. 8. Ілюстрація до завдання
Що описується магнітним потоком?
Як ми вже зазначили, він залежить:
- Від сили магнітного поля
- Від площі контуру, через який ці магнітні лінії проходять
- Від кута розташування між контуром та магнітними лініями
Таким чином, магнітний потікхарактеризує кількість магнітних ліній, що пронизують обмежений контур.
Це легко перевірити.
1. Порівняємо кількість ліній, які пронизують однаковий контур, але у різних за силою магнітних полях (рис. 9).
У сильнішому полі контур пронизує більше ліній.
Мал. 9. Ілюстрація до завдання
2. Якщо порівняти кількість ліній, які в тому самому однорідному магнітному полі пронизують різні за площею контури, то їх очевидно більше через більший контур (рис. 10).
Мал. 10. Ілюстрація до завдання
3. Якщо порівнювати поворот контуру в магнітному полі на кут до магнітних ліній та його розташування вздовж ліній, то в першому випадку їх кількість через площину контуру буде максимальною. А в другому магнітні лінії ковзатимуть уздовж контуру і не пронизуватимуть його зовсім (рис. 11).
У зазначених прикладах більшій кількості ліній через контур відповідав більший магнітний потік.
В результаті відзначимо, що оскільки величина струму індукції залежить від зміни магнітної індукції, площі контуру та від її орієнтації у просторі, то прийнято говорити, що вона залежить від зміни магнітного потоку.
Крім того, досліди Фарадея показали, що важлива швидкість зміни магнітного потоку. Чим швидше змінювати зазначені величини, тим більше величина індукційного струму.
Отже, можна стверджувати, що електромагнітної індукції характеризується швидкістю зміни магнітного потоку.
Завдання визначення умов виникнення індукційного струму
Для того щоб розібратися із взаємозв'язком магнітного потоку через контур та явищем електромагнітної індукції в ньому, розглянемо завдання:
Невелику котушку поступово переміщують у однорідному магнітному полі. Чи виникає у котушці індукційний струм? Відповідь обґрунтуйте.
Мал. 12. Ілюстрація до завдання
Може здатися, що через рух котушки можуть бути зміни, наслідком яких буде виникнення струму індукції в її витках (рис. 12).
Згадаймо, що обов'язковою умовою виникнення струму індукції є зміна магнітного потоку через витки котушки. Для цього потрібна зміна магнітної індукції через контур котушки. Чого немає, т. до. за умовою полі однорідно.
Крім цього, можлива зміна площі перерізу котушки, чого також не спостерігається.
Останній можливий варіант - це зміна кута повороту площини котушки до магнітних ліній поля, чого, очевидно, також не відбувається, оскільки поступальний рух, а значить, ніяких поворотів котушки не спостерігається.
Отже, робимо висновок - магнітний потік не змінюватиметься, відповідно, ніякого струму індукції утворюватися у витках котушки теж не буде.
Порівняння магнітного потоку з потоком води
Назва вивченої нами нової фізичної величини магнітного потоку невипадково. Справа в тому, що магнітний потік через контур можна порівняти з потоком води через кільце, яке поміщене в трубу (рис. 13). (1)
Чим швидкість води більша, тим більше її проходить через кільце в одиницю часу. (2)
Чим більше площа кільця, тим, знову-таки, через нього протікає більше води за час, що спостерігається. (3)
Якщо повертати кільце при його поперечному розташування до потоку води, через площину кільця протікає максимальна кількість води. (4)
Якщо почати його повертати під гострим кутом до потоку, води буде протікати все менше. (5)
Мал. 13. Порівняння магнітного потоку з потоком води
А при повороті вздовж відтоку вода взагалі не проходитиме крізь кільце, а ковзатиме вздовж нього. (6)
Аналогічні характеристики ми з вами розглянули для магнітного потоку.
На уроці пояснили, які параметри магнітного поля і контуру необхідно змінювати для спостереження явища електромагнітної індукції. Ми поєднали це в поняття «магнітний потік».
Список літератури
- Аксенович Л. А. Фізика у середній школі: Теорія. Завдання. Тести: Навч. посібник для установ, які забезпечують отримання заг. середовищ, освіти.
- Яворський Б.М., Пінський А.А., Основи фізики, т.2., - М. Фізматліт., 2003.
- Елементарний підручник з фізики. За ред. Г.С. Ландсберга, Т. 3. – М., 1974.
- Festival.1september.ru ().
- Nvtc.ee().
- Сlass-fizika.narod.ru().
Домашнє завдання
- Від чого залежить магнітний потік, що пронизує площу плоского контуру, поміщеного в однорідне магнітне поле?
- Як змінюється магнітний потік зі збільшенням n разів магнітної індукції, якщо ні площа, ні орієнтація контуру не змінюються?
- Чи змінюється магнітний потік при такому обертанні контуру, коли лінії магнітної індукції пронизують його. то ковзають його площиною?
