Взаимосвязь электрических и магнитных полей замечена очень давно. Данную связь еще в 19 веке обнаружил английский ученый-физик Фарадей и дал ему название . Она появляется в тот момент, когда магнитный поток пронизывает поверхность замкнутого контура. После того как происходит изменение магнитного потока в течение определенного времени, в этом контуре наблюдается появление электрического тока.
Взаимосвязь электромагнитной индукции и магнитного потока
Суть магнитного потока отображается известной формулой: Ф = BS cos α. В ней Ф является магнитным потоком, S - поверхность контура (площадь), В - вектор магнитной индукции. Угол α образуется за счет направления вектора магнитной индукции и нормали к поверхности контура. Отсюда следует, что максимального порога магнитный поток достигнет при cos α = 1, а минимального - при cos α = 0.
Во втором варианте вектор В будет перпендикулярен к нормали. Получается, что линии потока не пересекают контур, а лишь скользят по его плоскости. Следовательно, определять характеристики будут линии вектора В, пересекающие поверхность контура. Для расчета в качестве единицы измерения используется вебер: 1 вб = 1в х 1с (вольт-секунда). Еще одной, более мелкой единицей измерения служит максвелл (мкс). Он составляет: 1 вб = 108 мкс, то есть 1 мкс = 10-8 вб.
Для исследования Фарадеем были использованы две проволочные спирали, изолированные между собой и размещенные на катушке из дерева. Одна из них соединялась с источником энергии, а другая - с гальванометром, предназначенным для регистрации малых токов. В тот момент, когда цепь первоначальной спирали замыкалась и размыкалась, в другой цепи стрелка измерительного устройства отклонялась.
Проведение исследований явления индукции
В первой серии опытов Майкл Фарадей вставлял намагниченный металлический брусок в катушку, подключенную к току, а затем вынимал его наружу (рис. 1, 2).
1 
2 
В случае помещения магнита в катушку, подключенную к измерительному прибору, в цепи начинает протекать индукционный ток. Если магнитный брусок удаляется из катушки, индукционный ток все равно появляется, но его направление становится уже противоположным. Следовательно, параметры индукционного тока будут изменены по направлению движения бруска и в зависимости от полюса, которым он помещается в катушку. На силу тока оказывает влияние быстрота перемещения магнита.
Во второй серии опытов подтверждается явление, при котором изменяющийся ток в одной катушке, вызывает индукционный ток в другой катушке (рис. 3, 4, 5). Это происходит в моменты замыкания и размыкания цепи. От того, замыкается или размыкается электрическая цепь, будет зависеть и направление тока. Кроме того, эти действия есть ни что иное, как способы изменения магнитного потока. При замыкании цепи он будет увеличиваться, а при размыкании - уменьшаться, одновременно пронизывая первую катушку.
3 
4 
5 
В результате опытов было установлено, что возникновение электрического тока внутри замкнутого проводящего контура возможно лишь в том случае, когда они помещаются в переменное магнитное поле. При этом, поток может изменяться во времени любыми способами.
Электрический ток, появляющийся под действием электромагнитной индукции, получил название индукционного, хотя это и не будет током в общепринятом понимании. Когда замкнутый контур оказывается в магнитном поле, происходит генерация ЭДС с точным значением, а не тока, зависящего от разных сопротивлений.
Данное явление получило название ЭДС индукции, которую отражает формула: Еинд = - ∆Ф/∆t. Ее значение совпадает с быстротой изменений магнитного потока, пронизывающего поверхность замкнутого контура, взятого с отрицательным значением. Минус, присутствующий в данном выражении, является отражением правила Ленца.
Правило Ленца в отношении магнитного потока
Известное правило было выведено после проведения цикла исследований в 30-х годах 19 века. Оно сформулировано в следующем виде:
Направление индукционного тока, возбуждаемого в замкнутом контуре изменяющимся магнитным потоком, оказывает влияние на создаваемое им магнитное поле таким образом, что оно в свою очередь создает препятствие магнитному потоку, вызывающему появление индукционного тока.
Когда магнитный поток увеличивается, то есть становится Ф > 0, а ЭДС индукции снижается и становится Еинд < 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.
Если поток снижается, то наступает обратный процесс, когда Ф < 0 и Еинд > 0, то есть действие магнитного поля индукционного тока, происходит увеличение магнитного потока, проходящего через контур.
Физический смысл правила Ленца заключается в отражении закона сохранения энергии, когда при уменьшении одной величины, другая увеличивается, и, наоборот, при увеличении одной величины другая будет уменьшаться. Различные факторы влияют и на ЭДС индукции. При вводе в катушку поочередно сильного и слабого магнита, прибор соответственно будет показывать в первом случае более высокое, а во втором - более низкое значение. То же самое происходит, когда изменяется скорость движения магнита.
На представленном рисунке видно, как определяется направление индукционного тока с применением правила Ленца. Синий цвет соответствует силовым линиям магнитных полей индукционного тока и постоянного магнита. Они расположены в направлении полюсов от севера к югу, которые имеются в каждом магните.
Изменяющийся магнитный поток приводит к возникновению индукционного электрического тока, направление которого вызывает противодействие со стороны его магнитного поля, препятствующее изменениям магнитного потока. В связи с этим, силовые линии магнитного поля катушки направлены в сторону, противоположную силовым линиям постоянного магнита, поскольку его движение происходит в сторону этой катушки.
Для определения направления тока используется с правой резьбой. Он должен ввинчиваться таким образом, чтобы направление его поступательного движения совпадало с направлением индукционных линий катушки. В этом случае направления индукционного тока и вращения рукоятки буравчика будут совпадать.
На картинке показано однородное магнитное поле. Однородное означает одинаковое во всех точках в данном объеме. В поле помещена поверхность с площадью S. Линии поля пересекают поверхность.
Определение магнитного потока :
Магнитным потоком Ф через поверхность S называют количество линий вектора магнитной индукции B, проходящих через поверхность S.
Формула магнитного потока:
здесь α - угол между направлением вектора магнитной индукции B и нормалью к поверхности S.
Из формулы магнитного потока видно, что максимальным магнитный поток будет при cos α = 1, а это случится, когда вектор B параллелен нормали к поверхности S. Минимальным магнитный поток будет при cos α = 0, это будет, когда вектор B перпендикулярен нормали к поверхности S, ведь в этом случае линии вектора B будут скользить по поверхности S, не пересекая её.
А по определению магнитного потока учитываются только те линии вектора магнитной индукции, которые пересекают данную поверхность.
Измеряется магнитный поток в веберах (вольт-секундах): 1 вб = 1 в * с. Кроме того, для измерения магнитного потока применяют максвелл: 1 вб = 10 8 мкс. Соответственно 1 мкс = 10 -8 вб.
Магнитный поток является скалярной величиной.
ЭНЕРГИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ТОКА
Вокруг проводника с током существует магнитное поле, которое обладает энергией. Откуда она берется? Источник тока, включенный в эл.цепь, обладает запасом энергии. В момент замыкания эл.цепи источник тока расходует часть своей энергии на преодоление действия возникающей ЭДС самоиндукции. Эта часть энергии, называемая собственной энергией тока, и идет на образование магнитного поля. Энергия магнитного поля равна собственной энергии тока. Собственная энергия тока численно равна работе, которую должен совершить источник тока для преодоления ЭДС самоиндукции, чтобы создать ток в цепи.
Энергия магнитного поля, созданного током, прямо пропорциональна квадрату силы тока. Куда пропадает энергия магнитного поля после прекращения тока? - выделяется (при размыкании цепи с достаточно большой силой тока возможно возникновение искры или дуги)
4.1. Закон электромагнитной индукции. Самоиндукция. Индуктивность
Основные формулы
· Закон электромагнитной индукции (закон Фарадея):
,
(39)
где – эдс индукции;– полный магнитный поток (потокосцепление).
· Магнитный поток, создаваемый током в контуре,
где – индуктивность контура;– сила тока.
· Закон Фарадея применительно к самоиндукции
· Эдс индукции, возникающая при вращении рамки с током в магнитном поле,
где – индукция магнитного поля;– площадь рамки;– угловая скорость вращения.
· Индуктивность соленоида
,
(43)
где – магнитная постоянная;– магнитная проницаемость вещества;– число витков соленоида;– площадь сечения витка;– длина соленоида.
· Сила тока при размыкании цепи
где – установившаяся в цепи сила тока;– индуктивность контура,– сопротивление контура;– время размыкания.
· Сила тока при замыкании цепи
.
(45)
· Время релаксации
Примеры решения задач
Пример 1.
Магнитное
поле изменяется по закону 
,
где=
15 мТл,. В
магнитное поле помещен круговой
проводящий виток радиусом = 20
см под угломк
направлению поля (в начальный момент
времени). Найти эдс индукции, возникающую в
витке в момент времени=
5 с.
Решение
По закону электромагнитной индукции возникающая в витке эдс индукции , где– магнитный поток, сцепленный в витке.
где – площадь витка,;– угол между направлением вектора магнитной индукциии нормалью к контуру:.
Подставим числовые значения: = 15 мТл,,= 20 см = = 0,2 м,.
Вычисления
дают 
.
|
Пример 2 В однородном магнитном поле с индукцией = 0,2 Тл расположена прямоугольная рамка, подвижная сторона которой длиной= 0,2 м перемещается со скоростью= 25 м/с перпендикулярно линиям индукции поля (рис. 42). Определить эдс индукции, возникающую в контуре. Решение При движении проводника АВ в магнитном поле площадь рамки увеличивается, следовательно, возрастает магнитный поток сквозь рамку и возникает эдс индукции. |
|
По закону Фарадея , где, тогда, но, поэтому.
Знак «–» показывает, что эдс индукции и индукционный ток направлены против часовой стрелки.
САМОИНДУКЦИЯ
Каждый проводник, по которому протекает эл.ток, находится в собственном магнитном поле.
При
изменении силы тока в проводнике меняется
м.поле, т.е. изменяется магнитный поток,
создаваемый этим током. Изменение
магнитного потока ведет в возникновению
вихревого эл.поля и в цепи появляется
ЭДС индукции.
Это
явление называется самоиндукцией.Самоиндукция -
явление возникновения ЭДС индукции в
эл.цепи в результате изменения силы
тока.
Возникающая при этом ЭДС
называется ЭДС
самоиндукции
Проявление явления самоиндукции
Замыкание
цепи
При
замыкании в эл.цепи нарастает ток, что
вызывает в катушке увеличение магнитного
потока, возникает вихревое эл.поле,
направленное против тока, т.е. в катушке
возникает ЭДС самоиндукции, препятствующая
нарастанию тока в цепи (вихревое поле
тормозит электроны).
В результатеЛ1
загорается позже,
чем
Л2.
Размыкание
цепи
При
размыкании эл.цепи ток убывает, возникает
уменьшение м.потока в катушке, возникает
вихревое эл.поле, направленное как ток
(стремящееся сохранить прежнюю силу
тока) , т.е. в катушке возникает ЭДС
самоиндукции, поддерживающая ток в
цепи.
В результате Л при выключении ярко
вспыхивает.
Вывод
в
электротехнике явление самоиндукции
проявляется при замыкании цепи (эл.ток
нарастает постепенно) и при размыкании
цепи (эл.ток пропадает не сразу).
ИНДУКТИВНОСТЬ
От
чего зависит ЭДС самоиндукции?
Эл.ток
создает собственное магнитное поле.
Магнитный поток через контур пропорционален
индукции магнитного поля (Ф ~ B), индукция
пропорциональна силе тока в проводнике
(B
~ I), следовательно магнитный поток
пропорционален силе тока (Ф ~ I).
ЭДС
самоиндукции зависит от скорости
изменения силы тока в эл.цепи, от свойств
проводника
(размеров и формы) и от
относительной магнитной проницаемости
среды, в которой находится
проводник.
Физическая величина,
показывающая зависимость ЭДС самоиндукции
от размеров и формы проводника и от
среды, в которой находится проводник,
называется коэффициентом самоиндукции
или индуктивностью.
Индуктивность -
физ. величина, численно равная ЭДС
самоиндукции, возникающей в контуре
при изменении силы тока на 1Ампер за 1
секунду.
Также индуктивность можно
рассчитать по формуле:
где
Ф - магнитный поток через контур, I - сила
тока в контуре.
Единицы измерения индуктивности в системе СИ:
Индуктивность катушки зависит от: числа витков, размеров и формы катушки и от относительной магнитной проницаемости среды (возможен сердечник).
ЭДС САМОИНДУКЦИИ
ЭДС самоиндукции препятствует нарастанию силы тока при включении цепи и убыванию силы тока при размыкании цепи.
Для характеристики намагниченности вещества в магнитном поле используетсямагнитный момент (Р м ). Он численно равен механическому моменту, испытываемому веществом в магнитном поле с индукцией в 1 Тл.
Магнитный момент единицы объема вещества характеризует его намагниченность - I , определяется по формуле:
I = Р м /V , (2.4)
где V - объем вещества.
Намагниченность в системе СИ измеряется, как и напряженность, в А/м , величина векторная.
Магнитные свойства веществ характеризуются объемной магнитной восприимчивостью - c о , величина безразмерная.
Если какое-либо тело поместить в магнитное поле с индукцией В 0 , то происходит его намагничивание. Вследствие этого тело создает свое собственное магнитное поле с индукцией В " , которое взаимодействует с намагничивающим полем.
В этом случае вектор индукции в среде (В) будет слагаться из векторов:
В = В 0 + В " (знак вектора опущен), (2.5)
где В " - индукция собственного магнитного поля намагнитившегося вещества.
Индукция собственного поля определяется магнитными свойствами вещества, которые характеризуются объемной магнитной восприимчивостью - c о , справедливо выражение:В " = c о В 0 (2.6)
Разделим на m 0 выражение (2.6):
В " / m о = c о В 0 /m 0
Получим: Н " = c о Н 0 , (2.7)
но Н " определяет намагниченность вещества I , т.е. Н " = I , тогда из (2.7):
I = c о Н 0 . (2.8)
Таким образом, если вещество находится во внешнем магнитном поле с напряженностьюН 0 , то внутри него индукция определяется выражением:
В=В 0 + В " = m 0 Н 0 +m 0 Н " = m 0 (Н 0 + I) (2.9)
Последнее выражение строго справедливо, когда сердечник (вещество) находится полностью во внешнем однородном магнитном поле (замкнутый тор, бесконечно длинный соленоид и т.д.).
> Изменение магнитного потока создает электрическое поле
Рассмотрите возникновение электрического поля при изменении магнитного потока : закон электромагнитной индукции Фарадея, уравнение Максвелла, теорема Стокса.
При перемене магнитного потока создается электрическое поле. Это утверждает закон индукции Фарадея:
Задача обучения
- Охарактеризовать связь меняющегося магнитного поля и электрического.
Основные пункты
Термины
- Уравнение Максвелла – набор формул, характеризующих электрические и магнитные поля и их взаимодействие.
- Область вектора – величина рассматриваемого вектора, расположенная перпендикулярно плоскости.
- Теорема Стокса – интегрирование дифференциальных форм на многообразие, упрощающее и обобщающее несколько теорем из векторных вычислений.
Закон индукции Фарадея говорит о том, что при перемене магнитного поля создается электрическое: (ε индуцируется ЭДС, а Φ B – магнитный поток). Это главный закон в электромагнетизме, предсказывающий принципы взаимодействия магнитного поля с электрической цепью, что приведет к ЭДС.
В этом эксперименте демонстрируется индукция между катушками провода: жидкая батарея (справа) создает ток, протекающий сквозь небольшую катушку (А), формируя магнитное поле. Если катушки лишены движения, ток не индуцируется. Если же катушка смещается из/в более крупную (B ), то магнитный поток изменится и создаст ток, который проявит себя в гальванометре
Дифференциальная форма закона Фарадея
Магнитный поток 
, где – векторная площадь над замкнутой поверхностью S. Устройство, способное поддерживать разность потенциалов, несмотря на токовые потоки, выступает источником ЭДС. В математическом виде: 
, где интеграл характеризуется по замкнутой петле C.
Закон Фарадея теперь можно переписать: 
. Используя теорему Стокса в векторном исчислении, левая часть приравнивается к
В правой части 
. Поэтому мы получаем альтернативную форму закона индукции Фарадея: 
. Ее также именуют дифференциальной формой закона Фарадея. Это одно из четырех уравнений Максвелла, контролирующих все электромагнитные явления.
МАГНИТНОЕ ПОЛЕ
Магнитное взаимодействие движущихся электрических зарядов согласно представлениям теории поля объясняется следующим образом: всякий движущийся электрический заряд создает в окружающем пространстве магнитное поле, способное действовать на другие движущиеся электрические заряды.
В - физическая величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля. Она называется магнитной индукцией (или индукцией магнитного поля).
Магнитная индукция - векторная величина. Модуль вектора магнитной индукции равен отношению максимального значения силы Ампера, действующей на прямой проводник с током, к силе тока в проводнике и его длине:
Единица магнитной индукции . В Международной системе единиц за единицу магнитной индукции принята индукция такого магнитного поля, в котором на каждый метр длины проводника при силе тока 1 А действует максимальная сила Ампера 1 Н. Эта единица называется тесла (сокращенно: Тл), в честь выдающегося югославского физика Н. Тесла:
СИЛА ЛОРЕНЦА
Движение проводника с током в магнитном поле показывает, что магнитное поле действует на движущиеся электрические заряды. На проводник действует сила Ампера F А = IBlsin a , а сила Лоренца действует на движущийся заряд:
где a - угол между векторами B и v .
Движение заряженных частиц в магнитном поле. В однородном магнитном поле на заряженную частицу, движущуюся со скоростью перпендикулярно линиям индукции магнитного поля, действует сила м, постоянная по модулю и направленная перпендикулярно вектору скорости.Под действием магнитной силы частица приобретает ускорение, модуль которого равен:
В однородном магнитном поле эта частица движется по окружности. Радиус кривизны траектории, по которой движется частица, определяется из условияоткуда следует,
Радиус кривизны траектории является величиной постоянной, поскольку сила, перпендикулярная вектору скорости, меняется только ее направление, но не модуль. А это и означает, что данная траектория является окружностью.
Период обращения частицы в однородном магнитном поле равен:
Последнее выражение показывает, что период обращения частицы в однородном магнитном поле не зависит от скорости и радиуса траектории ее движения.
Если напряженность электрического поля равна нулю, то сила Лоренца л равна магнитной силе м:
ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ
Явление электромагнитной индукции открыл Фарадей, который установил, что в замкнутом проводящем контуре возникает электрический ток при любом изменении магнитного поля, пронизывающего контур.
МАГНИТНЫЙ ПОТОК
Магнитный поток Ф (поток магнитной индукции) через поверхность площадью S - величина, равная произведению модуля вектора магнитной индукции на площадь S и косинус угла а между вектором и нормалью к поверхности:
Ф=BScos
В СИ единица магнитного потока 1 Вебер (Вб) - магнитный поток через поверхность площадью 1 м 2 , расположенную перпендикулярно направлению однородного магнитного поля, индукция которого равна 1 Тл:
Электромагнитная индукция -явление возникновения электрического тока в замкнутом проводящем контуре при любом изменении магнитного потока, пронизывающего контур.
Возникающий в замкнутом контуре, индукционный ток имеет такое направление, что своим магнитным полем противодействует тому изменению магнитного потока, которым он вызван (правило Ленца).
ЗАКОН ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ
Опыты Фарадея показали, что сила индукционного тока I i в проводящем контуре прямо пропорциональна скорости изменения числа линий магнитной индукции, пронизывающих поверхность, ограниченную этим контуром.
Поэтому сила индукционного тока пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром:
Известно, что если в цепи появился ток, это значит, что на свободные заряды проводника действуют сторонние силы. Работа этих сил по перемещению единичного заряда вдоль замкнутого контура называется электродвижущей силой (ЭДС). Найдем ЭДС индукции ε i .
По закону Ома для замкнутой цепи
Так как R не зависит от , то
ЭДС индукции совпадает по направлению с индукционным током, а этот ток в соответствии с правилом Ленца направлен так, что созданный им магнитный поток противодействует изменению внешнего магнитного потока.
Закон электромагнитной индукции
ЭДС индукции в замкнутом контуре равна взятой с противоположным знаком скорости изменения магнитного потока, пронизывающего контур:
САМОИНДУКЦИЯ. ИНДУКТИВНОСТЬ
Опыт показывает, что магнитный поток Ф , связанный с контуром, прямо пропорционален силе тока в этом контуре:
Ф = L*I .
Индуктивность контура L - коэффициент пропорциональности между проходящим по контуру током и созданным им магнитным потоком.
Индуктивность проводника зависит от его формы, размеров и свойств окружающей среды.
Самоиндукция - явление возникновения ЭДС индукции в контуре при изменении магнитного потока, вызванном изменением тока, проходящего через сам контур.
Самоиндукция - частный случай электромагнитной индукции.
Индуктивность - величина, численно равная ЭДС самоиндукции, возникающей в контуре при изменении силы тока в нем на единицу за единицу времени. В СИ за единицу индуктивности принимают индуктивность такого проводника, в котором при изменении силы тока на 1 А за 1 с возникает ЭДС самоиндукции 1 В. Эта единица называется генри (Гн):
ЭНЕРГИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ
Явление самоиндукции аналогично явлению инерции. Индуктивность при изменении тока играет ту же роль, что и масса при изменении скорости тела. Аналогом скорости является сила тока.
Значит энергию магнитного поля тока можно считать величиной, подобной кинетической энергии тела :
Предположим, что после отключения катушки от источника,ток в цепи убывает со временем по линейному закону.
ЭДС самоиндукции имеет в этом случае постоянное значение:
где I - начальное значение тока, t - промежуток времени, за который сила тока убывает от I до 0.
За время t в цепи проходит электрический заряд q = I cp t . Так как I cp = (I + 0)/2 = I/2 , то q=It/2 . Поэтому работа электрического тока:
Эта работа совершается за счет энергии магнитного поля катушки. Таким образом, снова получаем:
Пример. Определите энергию магнитного поля катушки, в которой при токе 7,5 А магнитный поток равен 2,3*10 -3 Вб. Как изменится энергия поля, если сила тока уменьшиться вдвое?
Энергия магнитного поля катушки W 1 = LI 1 2 /2. По определению, индуктивность катушки L = Ф/I 1 . Следовательно,
Ответ: энергия поля равна 8,6 Дж; при уменьшении тока вдвое она уменьшится в 4 раза.
На уроке мы узнаем про новое для нас понятие - магнитный поток - и рассмотрим, чем он характеризуется.
Вспомним, что при изменении параметров магнитного поля вблизи замкнутого проводника в нем возникает ток. Данный ток получил название тока индукции, а явление - явление электромагнитной индукции.
Однако остается вопрос, какие конкретно параметры магнитного поля нам необходимо меня для получения данного эффекта. Для начала проведем эксперимент:
Для его проведения нам необходимо: катушка с большим количеством витков и подключенный к ней амперметр. В ходе проведения опыта обратите внимание на поведение стрелки амперметра (рис. 1).
Рис. 1. Опыты Фарадея
Как мы видим, при опускании и вынимании полосового магнита из катушки в ней образуется индукционный ток.
Проанализируем, изменение какого именно параметра привело к наблюдаемому эффекту. При приближении и отдалении магнита от катушки в ней меняется сила магнитного поля.
Таким образом, величиной, которая влияет на образование тока индукции в катушке, является сила магнитного поля.
Вспомним, что она описывается такой величиной, как магнитная индукция. Она является вектором и обозначается и измеряется в Тл.
Помещенное перпендикулярно магнитному полю замкнутое проволочное кольцо сжимаем с нескольких сторон, чтобы оно изменило свою форму (рис. 2).
Рис. 2. Иллюстрация к опыту
При этом на протяжении процесса деформации в кольце возникает ток индукции. Что же мы изменяли в этот раз?
Теперь изменению подверглась площадь кольца. Конечно же, вместо кольца можно экспериментировать с любым замкнутым проводником.
Контур - замкнутый проводник (рис. 3).
Рис. 3. Контур
Рис. 4. Генератор
Его основными элементами являются (рис. 4):
- катушка, которая может вращаться вокруг своей оси;
- установленный вокруг катушки постоянный магнит.
При вращении катушки в магнитном поле можно увидеть, что лампочка загорается (т. е. в цепи возникает ток индукции).
Из этого опыта можно сделать вывод о том, что явление электромагнитной индукции проявляет себя и при повороте катушки или проводящей рамки в магнитном поле (рис. 5), т. е. при изменении угла между магнитными линиями и плоскостью проводника.
Рис. 5. Иллюстрация к опыту
Все три параметра, изменения которых влияют на величину тока индукции, объединяет физическая величина под названием магнитный поток.
В - модуль магнитной индукции поля
S - площадь контура
Характеризует расположение плоскости контура относительно магнитной линии.
Магнитный поток измеряют в Веберах (Вб) и обозначают буквой Ф.
Таким образом, магнитный поток пропорционален модулю магнитной индукции поля, площади контура и зависит от расположения плоскости контура относительно магнитной линии.
Задача на анализ параметров магнитного потока
Для того чтобы научиться делать выводы об изменении магнитного потока в элементах различных электрических цепей, что может привести к наличию нежелательных индукционных токов, рассмотрим задачу.
Проволочная катушка со стальным сердечником включена в цепь постоянного тока последовательно с реостатом и ключом (рис. 6).
Рис. 6. Иллюстрация к задаче
Электрический ток, протекающий по веткам катушки, создает в пространстве вокруг нее магнитное поле (рис. 7). В поле катушки и находится такая же катушка .
Рис. 7. Иллюстрация к задаче
Каким образом можно поменять магнитный поток пронизывающий катушку ? Рассмотрите все возможные варианты.
Вспомним, изменение каких параметров приводит к изменению магнитного потока.
Начнем с изменения индукции магнитного поля катушки .Этого возможно добиться, если изменять силу тока, которая порождает ее магнитное поле. Изменять ток в изображенной цепи можно 2-мя способами:
1. Передвижение ползунка реостата
2. Включение/выключение ключа
Стоит отметить, что изменение значения тока будет наибольшим от максимального до нуля, что приведет к наибольшему изменению магнитного потока в катушке .
Следующим параметром, изменение которого повлияет на значение магнитного потока, является площадь контура. В нашем случае катушки Но изменить площадь сечения катушки мы не можем. Следовательно, вариант отпадает.
Последним вариантом изменения магнитного потока является поворот катушки относительно магнитных линий катушки . Для достижения максимального результата изменения повернуть катушку необходимо на 90(рис. 8).
Рис. 8. Иллюстрация к задаче
Что же описывается магнитным потоком?
Как мы уже отметили, он зависит:
- От силы магнитного поля
- От площади контура, через который эти магнитные линии проходят
- От угла расположения между контуром и магнитными линиями
Таким образом, магнитный поток характеризует количество магнитных линий, пронизывающих ограниченный контур.
Это легко проверить.
1. Сравним количество линий, которые пронизывают одинаковый контур, но в различных по силе магнитных полях (рис. 9).
В более сильном поле контур пронизывает больше линий.
Рис. 9. Иллюстрация к задаче
2. Если сравнить количество линий, которые в одном и том же однородном магнитном поле пронизывают различные по площади контуры, то их очевидно больше через больший контур (рис. 10).
Рис. 10. Иллюстрация к задаче
3. Если сравнивать поворот контура в магнитном поле на угол к магнитным линиям и его расположение вдоль линий, то в первом случае их количество через плоскость контура будет максимально. А во втором магнитные линии будут скользить вдоль контура и не пронизывать его вовсе (рис. 11).
В указанных примерах большему числу линий через контур соответствовал больший магнитный поток.
В результате отметим, что поскольку величина тока индукции зависит от изменения магнитной индукции, площади контура и от ее ориентации в пространстве, то принято говорить, что она зависит от изменения магнитного потока.
Кроме того, опыты Фарадея показали, что важна скорость изменения магнитного потока. Чем быстрее изменять указанные величины, тем величина индукционного тока будет больше.
Таким образом, можно утверждать, что явление электромагнитной индукции характеризуется скоростью изменения магнитного потока.
Задача на определение условий возникновения индукционного тока
Для того чтобы разобраться со взаимосвязью магнитного потока через контур и явлением электромагнитной индукции в нем, рассмотрим задачу:
Небольшую катушку поступательно перемещают в однородном магнитном поле. Возникает ли в катушке индукционный ток? Ответ обоснуйте.
Рис. 12. Иллюстрация к задаче
Может показаться, что из-за движения катушки могут быть изменения, следствием которых будет являться возникновение тока индукции в ее витках (рис. 12).
Вспомним, что обязательным условием возникновения тока индукции является изменение магнитного потока через витки катушки. Для этого необходимо изменение магнитной индукции через контур катушки. Чего не наблюдается, т. к. по условию поле однородно.
Кроме этого возможно изменение площади сечения катушки, чего также не наблюдается.
Последний возможный вариант - это изменение угла поворота плоскости катушки к магнитным линиям поля, чего, очевидно, также не происходит, поскольку движение поступательное, а значит, никаких поворотов катушки не наблюдается.
Следовательно, делаем вывод - магнитный поток изменяться не будет, соответственно, никакого тока индукции образовываться в витках катушки тоже не будет.
Сравнение магнитного потока с потоком воды
Название изученной нами новой физической величины магнитного потока не случайно. Дело в том, что магнитный поток через контур можно сравнить с потоком воды через кольцо, которое помещено в трубу (рис. 13). (1)
Чем скорость воды больше, тем больше ее проходит через кольцо в единицу времени. (2)
Чем больше площадь кольца, тем, опять-таки, через него протечет больше воды за наблюдаемое время. (3)
Если поворачивать кольцо при его поперечном расположении к потоку воды, через плоскость кольца протечет максимальное количество воды. (4)
Если начать его поворачивать под острым углом к потоку, то воды будет протекать все меньше. (5)
Рис. 13. Сравнение магнитного потока с потоком воды
А при повороте вдоль оттока вода вообще не будет проходить сквозь кольцо, а будет скользить вдоль него. (6)
Аналогичные свойства мы с вами рассмотрели для магнитного потока.
На уроке мы объяснили, какие параметры магнитного поля и контура необходимо менять для наблюдения явления электромагнитной индукции. Мы объединили это в понятие «магнитный поток».
Список литературы
- Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования.
- Яворский Б.М., Пинский А.А., Основы физики, т.2., - М. Физматлит., 2003.
- Элементарный учебник физики. Под ред. Г.С. Ландсберга, Т. 3. - М., 1974.
- Festival.1september.ru ().
- Nvtc.ee ().
- Сlass-fizika.narod.ru ().
Домашнее задание
- От чего зависит магнитный поток, пронизывающий площадь плоского контура, помещенного в однородное магнитное поле?
- Как меняется магнитный поток при увеличении в n раз магнитной индукции, если ни площадь, ни ориентация контура не меняются?
- Меняется ли магнитный поток при таком вращении контура, когда линии магнитной индукции то пронизывают его. то скользят по его плоскости?
