В каком случае можно говорить о возникновении магнитного поля: В каком случае можно говорить о возникновении магнитного поля? А. заряженная частица движется прямолинейно ускоренно Б. заряженная частица движется прямолинейно равномерно В. Движется магнитный заряд…

Электромагнитная индукция. Опыты Фарадея. Электромагнитные колебания и волны – FIZI4KA

ОГЭ 2018 по физике ›

1. Явление электромагнитной индукции было открыто английским ученым Майклом Фарадеем. Если соединить катушку с гальванометром и внести в катушку полосовой магнит северным полюсом, то стрелка гальванометра отклонится, что свидетельствует о существовании в катушке электрического тока. Когда магнит остановится в катушке, то ток прекратится (рис. 95). При выдвижении магнита из катушки в ней вновь появится электрический ток, но он будет иметь противоположное направление. Причиной возникновения электрического тока в катушке, является изменение магнитного поля, пронизывающего эту катушку, которое происходит при движении магнита.

Возможны различные способы изменения магнитного поля, пронизывающего контур проводника. Можно, например, перемещать не магнит, а катушку, т.е. надевать её на магнит. При этом также возникнет индукционный ток. Можно в большую катушку вставить малую катушку. Большую катушку соединить с гальванометром, а малую — с источником постоянного тока. При замыкании и размыкании цепи малой катушки можно наблюдать отклонение стрелки гальванометра. Таким образом, при любом изменении магнитного поля пронизывающего замкнутый проводник, в нём возникает индукционный ток.

Эти и другие опыты показывают, что ток появляется только при изменении магнитного поля, пронизывающего замкнутый проводник.

Явление возникновения тока в замкнутом проводнике при изменении магнитного поля, пронизывающего контур проводника, называется электромагнитной индукцией. Ток, возникающий в этом случае в цепи, называют индукционным током.

Таким образом, направление индукционного тока в катушке зависит от направления движения магнита.

2. Направление индукционного тока зависит от того, каким полюсом вносят магнит в катушку или выносят из нее, т.е. от направления магнитного поля. Если вносить магнит в катушку не северным полюсом, как это делалось в опыте, описанном выше, а южным полюсом, то стрелка гальванометра отклонится в сторону, противоположную той, в которую она отклонялась при внесении магнита северным полюсом. Направление индукционного тока будет разным в зависимости от того, вносят магнит в катушку или выносят его из катушки. Таким образом, направление индукционного тока зависит от направления движения магнита относительно катушки.

Вносить магнит в катушку можно быстрее и медленнее. Наблюдения позволяют сделать вывод о том, что сила индукционного тока зависит от скорости движения магнита, т.е. от скорости изменения магнитного поля. Сила индукционного тока тем больше, чем больше скорость изменения магнитного поля, пронизывающего контур проводника.

Если в самом проводнике изменяется сила тока, то вокруг проводника существует переменное магнитное поле. Это поле порождает в проводнике индукционный ток, который называется током самоиндукции, а явление возникновения такого тока — явлением самоиндукции.

Значение открытия явления магнитной индукции заключается в том, что в этом явлении наглядно наблюдается связь электрических и магнитных явлений, электрического и магнитного полей, что позволяет говорить о существовании единого электромагнитного поля.

3. Явление электромагнитной индукции лежит в основе работы генератора электрического тока — устройства, которое служит источником электрического тока и в котором происходит преобразование механической энергии в электрическую. Основными частями генератора являются магнит и расположенная между его полюсами насаженная на вал рамка.

Рамка приводится во вращение, пронизывающее её магнитное поле изменяется, и в катушке возникает индукционный ток. Этот ток снимается с рамки с помощью устройства, называемого коллектором, представляющим собой два полукольца, каждое из которых присоединяется к различным концам рамки, и щёток, касающихся колец. Промышленные генераторы имеют более сложное устройство, но все они состоят из вращающейся части (ротора), обычно в промышленном генераторе это электромагнит, создающий вращающееся магнитное поле, и неподвижной части (статора) — обмотки, в которой индуцируется электрический ток.

4. Максвеллом было теоретически показано, а Герцем экспериментально доказано, что изменяющееся магнитное поле порождает переменное электрическое поле, в свою очередь переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле, т. е. в пространстве происходят изменения (колебания) характеристик электромагнитного поля.

Электромагнитные колебания происходят в колебательной системе, называемой колебательным контуром. Колебательный контур — это электрическая цепь, состоящая из конденсатора и катушки индуктивности (рис. 96).

Если зарядить конденсатор и затем замкнуть его на катушку, то по цепи пойдёт электрический ток. При этом конденсатор начнёт разряжаться. Сначала сила тока в цепи будет увеличиваться, и появится ток самоиндукции, препятствующий увеличению основного тока и направленный против него. Через ½ часть периода конденсатор полностью разрядится, а сила тока в катушке станет максимальной. Затем сила тока начнет уменьшаться. Ток самоиндукции, который при этом возникнет, будет стремиться поддержать основной ток и будет направлен так же, как и он. Через ¼ часть периода ток прекратится, и конденсатор перезарядится. Затем пойдет обратный процесс.

Таким образом, в колебательном контуре происходят электромагнитные колебания, т. е. периодические изменения заряда, силы тока, электрического и магнитного полей. Колебания, происходящие в колебательном контуре, благодаря начальному запасу энергии в конденсаторе называются свободными. В процессе колебаний энергия извне в контур не поступает.

Минимальный промежуток времени, через который процесс в колебательном контуре полностью повторяется, называется периодом ​\( (T) \)​ электромагнитных колебаний. За период колебаний заряд на обкладках конденсатора изменяется от максимального значения до следующего максимального значения того же знака, или сила тока изменяется от максимального значения до следующего максимального значения при том же направлении тока.

Характеризуя электромагнитные колебания, часто говорят об их частоте. Частотой ​\( (\nu) \)​ колебаний называют число полных колебаний в одну секунду. Частота обратна периоду колебаний

Единицей частоты является 1 Гц. Частоту электромагнитных колебаний часто измеряют в килогерцах (1 кГц = 1000 Гц) и в мегагерцах (1 МГц = 1 000 000 Гц).

5. Подобно тому как механические колебания распространяются в пространстве в виде механических волн, электромагнитные колебания распространяются в пространстве в виде электромагнитных волн. Многочисленные эксперименты показывают, что электрическое и магнитное поля взаимосвязаны. Если в какой-либо точке пространства возникает переменное электрическое поле, то в соседних точках оно возбуждает переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, возбуждает переменное электрическое поле и т.д. Таким образом, можно говорить об электромагнитном поле. Это поле и распространяется в пространстве.

Процесс распространения периодически изменяющегося электромагнитного ноля представляет собой электромагнитные волны.

Электромагнитные волны распространяются в вакууме со скоростью 300 000 км/с. Они характеризуются определённой длиной волны ​\( \lambda \)​. Длина волны — это расстояние, на которое перемещается электромагнитная волна за время, равное периоду колебаний ​\( (T) \)​. ​\( \lambda=cT \)​ или \( \lambda=c/\nu \), где ​\( c \)​ — скорость распространения электромагнитной волны, ​\( \nu \)​ — частота колебаний.

6. Электрически заряженные частицы могут колебаться с различной частотой. Соответственно, излучаемые при этом электромагнитные волны имеют разную длину волны. Поэтому диапазон частот электромагнитных волн очень широк: он лежит в пределах от 0 до 10²² Гц, а длина волны — в пределах от 10^-14 м до бесконечности. По длине волны или по частоте электромагнитные волны можно разделить на восемь диапазонов. Обладая рядом общих свойств (интерференция, дифракция), волны разной частоты имеют и специфические свойства.

Содержание

• ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ
  • Часть 1
  • Часть 2
• Ответы

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ

Часть 1

1. В катушку, соединённую с гальванометром, вносят магнит. Направление индукционного тока зависит

А. От скорости перемещения магнита.
Б. От того, каким полюсом вносят магнит в катушку.

Правильный ответ

1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б

2. В катушку, соединённую с гальванометром, вносят магнит. Сила индукционного тока зависит

А. от скорости перемещения магнита
Б. от того, каким полюсом вносят магнит в катушку

1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б

3. Постоянный магнит вносят в катушку, замкнутую на гальванометр (см. рисунок).

Если выносить магнит из катушки с большей скоростью, то показания гальванометра будут примерно соответствовать рисунку

4. Две одинаковые катушки замкнуты на гальванометры. В катушку А вносят полосовой магнит, а из катушки Б вынимают такой же полосовой магнит. В какой катушке гальванометр зафиксирует индукционный ток?

1) только в катушке А
2) только в катушке Б
3) в обеих катушках
4) ни в одной из катушек

5. В первом случае магнит вносят в сплошное эбонитовое кольцо, а во втором случае выносят из сплошного медного кольца (см. рисунок).

Индукционный ток

1) возникает только в эбонитовом кольце
2) возникает только в медном кольце
3) возникает в обоих кольцах
4) не возникает ни в одном из колец

6. Внутри катушки, соединённой с гальванометром, находится малая катушка, подключённая к источнику постоянного тока. В каком из перечисленных опытов гальванометр зафиксирует индукционный ток?

А. В малой катушке выключают электрический ток.
Б. Малую катушку вынимают из большой.

1) только в опыте А
2) только в опыте Б
3) в обоих опытах
4) ни в одном из опытов

7. Внутри катушки, соединённой с гальванометром, находится малая катушка, подключённая к источнику тока. Первую секунду от начала эксперимента малая катушка неподвижна внутри большой катушки. Затем в течение следующей секунды её вынимают из большой катушки. Третью секунду малая катушка находится вне большой катушки. В течение четвертой секунды малую катушку вдвигают в большую. В какой(-ие) промежуток(-ки) времени гальванометр зафиксирует появление индукционного тока?

1) только 0-1 с
2) 1 с-2 с и 3 с-4 с
3) 0-1 с и 2 с-3 с
4) только 1 с-2 с

8. Внутри катушки, соединённой с гальванометром, находится малая катушка, подключённая к источнику тока. Оси катушек совпадают. Первую секунду от начала эксперимента малая катушка неподвижна внутри большой катушки. Затем в течение следующей секунды её вращают относительно вертикальной оси по часовой стрелке. Третью секунду малая катушка вновь остаётся в покое. В течение четвёртой секунды малую катушку вращают против часовой стрелки. В какие промежутки времени гальванометр зафиксирует появление индукционного тока в катушке?

1) индукционный ток может возникнуть в любой промежуток времени
2) индукционный ток возникнет в промежутках времени 1-2 с, 3-4 с
3) индукционный ток не возникнет ни в какой промежуток времени
4) индукционный ток возникнет в промежутках времени 0-1 с, 2-3 с

9. К электромагнитным волнам относятся:

A. Волны на поверхности воды.
Б. Радиоволны.
B. Световые волны.

Укажите правильный ответ.

1) только А
2) только Б
3) только В
4) Б и В

10. Какие из приведённых ниже формул могут быть использованы для определения скорости электромагнитной волны?

A. ​\( v=\lambda\nu \)​
Б. \( v=\frac{\lambda}{\nu} \)
В. \( v=\frac{\lambda}{T} \)
Г. \( v=\lambda T \)

1) только А
2) только Б
3) А и В
4) В и Г

11. Установите соответствие между названием опыта (в левом столбце таблицы) и явлением, которое в этом опыте наблюдается (в правом столбце таблицы). В таблице под номером физической величины левого столбца запишите соответствующий номер выбранного вами элемента правого столбца.

ВЕЛИЧИНА
A) опыты Фарадея
Б) опыт Эрстеда
B) опыт Ампера

ХАРАКТЕР ИЗМЕНЕНИЯ ЗНАЧЕНИЯ ВЕЛИЧИНЫ
1) действие проводника с током на магнитную стрелку
2) электромагнитная индукция
3) взаимодействие проводников с током

12. Установите соответствие между техническими устройствами и физическими явлениями, лежащими в основе их работы.

ТЕХНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА
A) генератор электрического тока
Б) электрический двигатель
B) электромагнитное реле

ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ
1) взаимодействие постоянных магнитов
2) взаимодействие проводников с током
3) возникновение электрического тока в проводнике при его движении в магнитном поле
4) магнитное действие проводника с током
5) действие магнитного поля на проводник с током

Часть 2

13. На какую частоту нужно настроить радиоприёмник, чтобы слушать радиостанцию, которая передает сигналы па длине волны 2,825 м?

1) 106,2 кГц
2) 106,2 МГц
3) 847,5 кГц
4) 847,5 МГц

Ответы

Закон прямолинейного распространения света. Закон отражения света. Плоское зеркало. Преломление света →

← Опыт Эрстеда. Магнитное поле тока. Взаимодействие магнитов. Действие магнитного поля на проводник с током

Электрический ток 8 класс онлайн-подготовка на Ростелеком Лицей

Введение

 

Мы рассмотрели понятие заряда, поговорили о носителях положительных и отрицательных зарядов, а также об их взаимодействии. Эти знания помогают объяснить некоторые электрические явления, например притяжение кусочков бумаги к наэлектризованной стеклянной палочке или отталкивание струи воды от наэлектризованной расчески.

 

Если воздействовать на заряженные частицы электрическим полем и заставить их двигаться, то можно использовать энергию этого движения. Лампа накаливания, электрочайник, аккумулятор и все другие устройства и приборы, работа которых связана с электричеством, используют энергию движения заряженных частиц или, говоря, по-другому, энергию электрического тока.

 

Действие тока

 

 

Заряд – это свойство частиц. То есть сам по себе он не может существовать, обязательно есть носители заряда, которые называют заряженными частицами или заряженными телами. Движение – это изменение положения тел в пространстве. Так вот, направленное движение заряженных частиц называют электрическим током. А сами движущиеся частицы называют носителями тока.

 

---

 

Почему движение «направленное»?

Ток – это направленное движение заряженных частиц. Почему мы говорим именно о направленном движении и почему это важно? Движение – это изменение положения тела, тело движется из одной точки в другую, оно не может быть не направленным. Здесь мы говорим о направленном движении в том смысле, что оно не должно быть хаотичным. Посмотрим на один электрон – он движется, причем в каждый момент времени в определенном направлении, пусть даже оно постоянно меняется. И вместе с ним переносится заряд. Но если рядом движется еще один электрон навстречу первому, он переносит заряд в противоположную сторону.

В зависимости от задачи, которую мы решаем, можно рассматривать на микроуровне токи, создаваемые каждым из электронов. Но, если говорить о переносе зарядов в системе из двух электронов, то его нет. Поэтому говорить о токе при хаотичном движении мы не будем – переноса заряда не происходит.

Молекулы воздуха тоже все время движутся, но это движение не обязательно означает наличие ветра. Ветер – это поток воздуха, то есть направленное движение его молекул.

Лампа накаливания светит потому, что нагревается ее нить, здесь нагревание должно быть. Но часто нагревание проводника с током – это лишние потери энергии, которые приходится учитывать. Часто такое нагревание происходит из-за вихревого движения электронов внутри проводника, тогда нужно рассматривать не только движение потока электронов, но и движение отдельных электронов.

---

 

Термин «электрический ток»

На самом деле, фразы «электрический ток» и «движение заряженных частиц» имеют один и тот же смысл, просто сформулированный разными словами.

«Электрический» – это прилагательное, описывающее все, что связано с одним из видов взаимодействия частиц: электрическое взаимодействие, электрический заряд, электрические явления. Слово «ток» означает течение, то есть движение чего-либо. То есть по смыслу электрический ток – это электрическое движение, движение электрических зарядов.

---

Мы привыкли к тому, что может двигаться масса. Сейчас говорим о движении зарядов, а заряд – это свойство частиц. И неясно, как может двигаться свойство. Конечно, движутся носители положительных и отрицательных зарядов (электроны и протоны), и это сопровождается переносом заряда и изменением свойства системы – именно это нас и будет интересовать.

Пример движения заряженных частиц мы можем увидеть в природе – это молния. Молния возникает, когда на облаках накапливается электрический заряд из-за трения слоев воздуха. Тогда избыточный заряд может перейти на Землю или на другое облако, заряженное противоположно. Это движение зарядов происходит очень быстро, а мы называем его молнией. Молния яркая, она излучает свет, а если она попадет в дерево, которое является плохим проводником, то оно загорится. Источником света и тепловой энергии здесь является энергия движения заряженных частиц. Эту энергию мы научились использовать, например в электрических приборах.

Какую еще выгоду мы можем извлечь из электрического тока, кроме теплового и светового действия? Еще есть химическое действие тока. Некоторые вещества при растворении в воде распадаются на атомы или группы атомов, в которых электронов больше или меньше, чем протонов, то есть такие частицы не будут электронейтральными. Их назвали ионами, а процесс разложения на ионы – электрической диссоциацией. Например, поваренная соль (NaCl) делится на два типа ионов: положительно заряженный Na и отрицательно заряженный Cl. Эти заряженные атомы и группы атомов в растворе – это свободные носители заряда, и их движение будет электрическим током.

При этом переносится вещество, и можно получать чистые вещества из растворов их соединений. В случае с раствором поваренной соли ионы натрия движутся к одному электроду, а ионы хлора – ко второму. Там ионы теряют заряд и образуются чистые вещества – натрий и хлор (см. рис. 1).

Рис. 1. Электрическая диссоциация

Чтобы выделить железные предметы или детали из кучи других, можно использовать магнит. Но обычный магнит не подходит – хорошо бы, чтобы его можно было «выключать» и не «отрывать» железо силой. На заводах используют специальные магниты – они работают только тогда, когда по ним течет электрический ток.

До сих пор мы говорили только об электрическом взаимодействии неподвижных зарядов. Кстати, синоним к слову «неподвижный» – «статичный», поэтому раздел физики, изучающий неподвижные заряды, называют еще электростатикой. Электрическое поле – это, на самом деле, проявление электромагнитного поля. Заряд создает вокруг себя электромагнитное поле, и у него есть две составляющие, два проявления. В системах отсчета, в которых заряд не движется, проявляется электрическая составляющая поля. В системах отсчета, в которых заряд движется, добавляется еще одна составляющая, которую назвали магнитной (см. рис. 2).

Рис. 2. Электрическая и магнитная составляющие заряда

Возьмем цилиндр и посмотрим на него сверху – увидим круг. Посмотрим сбоку – увидим прямоугольник. В разных проекциях получатся разные фигуры. И это не мешает нам изучать их отдельно. Так же и с электромагнитным полем. То, что есть электромагнитное поле, не отменяет всего, что мы выучили об электрических явлениях и что выучим о магнитных на следующих уроках. Магнитная составляющая электромагнитного поля проявляется в системах отсчета, в которых заряд движется. А как раз электрический ток – это движение заряда. Так что вокруг проводника с током возникает магнитное поле, посредством которого он взаимодействует с другими такими проводниками, с постоянными магнитами и тоже притягивает железо. На этом основан принцип действия электромагнитов на заводах, о которых мы сказали раньше.

 

Условия возникновения электрического тока

 

 

1. Наличие свободных носителей заряда. Чтобы заряженные частицы двигались по веществу, они должны вообще там быть. В любом атоме есть протоны и электроны, но не все они могут свободно перемещаться, а для возникновения тока нужны именно свободные носители заряда. В металлах – это свободные электроны, которые в достаточном количестве покидают атомы, в то время как протоны прочно сцеплены с атомным ядром (см. рис. 3).

 

Рис. 3. Свободные заряды – электроны в металлах

Поэтому, когда речь идет о металлах, под электрическим током мы будем понимать именно движение электронов. Материалы, из которых сделаны провода во всех электрических приборах и линиях электропередач, – это металлы. Электрический ток в металлах получил широкое применение, и именно его мы и будем больше всего изучать.

Но свободные заряды есть не только в металлах: например, ионы в растворах некоторых веществ. Такие вещества, содержащие большое количество свободных зарядов, называют проводниками – они проводят ток.

---

 

Заряженные частицы в других средах

Итак, в металлах носителями тока являются свободные электроны. Есть вещества, в которых свободные электроны есть, но их не так много, как в металлах. Такие вещества называют полупроводниками. У таких веществ есть важные свойства, которые научились применять в технике: почти вся современная вычислительная техника состоит из полупроводников.

Есть вещества, которые называют электролитами. Если растворить их в воде или расплавить, то молекулы, из которых они состоят, распадаются на две заряженные части – ионы. Это такие атомы или группы атомов, в которых количество электронов больше или меньше количества протонов. Соответственно, они имеют отрицательный или положительный заряд. И, поскольку это жидкость, ионы могут свободно передвигаться по ее объему.

В газах также могут быть свободные заряженные частицы. Поскольку это газ, то все частицы будут «свободными», осталось только сделать их заряженными. Это возможно, если под каким-то внешним воздействием электроны покинут свои атомы или молекулы. Образуются свободные электроны и положительные ионы. Также свободный электрон может присоединиться к нейтральной молекуле, образуется отрицательный ион. Именно ионы являются свободными носителями для протекания тока в газах.

Кроме того, свободные заряженные частицы можно поместить в вакуум. Например, если поместить металлический провод в вакуум и нагреть его, то некоторые электроны покинут металл и будут находиться в вакууме.

---

 

 О количестве свободных носителей заряда

Понятно, что чем больше количество свободных носителей заряда в веществе, тем лучше оно проводит ток. Теоретически, если знать для каждого вещества количество свободных носителей на кубический сантиметр, то можно сравнивать проводящие свойства веществ.

Для металлов таких таблиц обычно не делают, потому что в них свободных электронов в любом случае больше, чем может проникнуть сквозь вещество проводника, там ведь тоже не свободное пространство. А вот для растворов электролитов или для ионизированного газа количество свободных носителей заряда важно, оно больше влияет на протекание тока.

Обычная вода – хороший проводник, потому что в ней растворены различные соли (дистиллированная вода плохо проводит ток). Человеческое тело на 80% состоит из воды, а также других растворов, поэтому сравнительно хорошо проводит электрический ток, из-за чего прямой контакт тела с включенным в сеть проводником опасен. Поэтому все вилки и шнуры электроприборов (а также, например, рукоятки отверток) выполнены из пластика или резины – веществ, которые практически не проводят ток, так как у них практически отсутствуют свободные носители заряда. Такие вещества, как мы уже знаем, называются диэлектриками.

Просто поднести вилку к розетке недостаточно, чтобы прибор заработал – нужен прямой контакт. Воздух – плохой проводник, в нем практически нет свободных носителей заряда. Но при определенных условиях (например, высокой влажности) может стать проводником. Тогда мы наблюдаем искрение или молнии.

Мы постоянно используем фразы: «практически не проводят ток» и «почти нет носителей заряда». Сколько это «почти»? Зависит от задачи, которую мы решаем. И в диэлектриках может быть какое-то количество свободных носителей. Но если наш прибор не способен регистрировать ток, создаваемый даже миллионом электронов в секунду, то нам все равно, будет их там 100 или 200 – для нас их «почти нет». Принято считать диэлектриками вещества, в которых свободных носителей зарядов не более 100 млн на .

---

2. Необходимо заставить свободные носители заряда направленно двигаться. Для этого нужно подействовать на них другими зарядами, или можно сказать по-другому: «подействовать на них электрическим полем», потому что заряды взаимодействуют посредством электрического поля. Это можно сделать, разместив с одной стороны проводника множество положительных зарядов, с другой – множество отрицательных.

---

 

Другие примеры того, как разделение создает движение

Если на одном конце проводника будет избыток положительного заряда, а на втором – отрицательного, то по проводнику потечет ток. Заряды будут двигаться так, чтобы уравняться. Когда мы говорим про избыток положительного заряда, то подразумеваем недостаток электронов. Итак, с одной стороны проводника возникает недостаток электронов, с другой – избыток. Под воздействием электрического поля движение электронов будет направлено так, чтобы выровнять этот дисбаланс.

Это общая идея: если возникает неравномерность системы по какому-либо из параметров, то, в отсутствии внешнего воздействия, система стремится к «выравниванию» этого параметра.

Например, если теплое тело соединить с холодным, то через некоторое время их температуры уравняются. Мы уже знаем, почему так произойдет: температура определяется кинетической энергией частиц. У более нагретого тела эта энергия выше, а, значит, частицы в среднем обладают более высокой скоростью движения. Они более активно двигаются, соударяются с менее подвижными частицами холодного тела и передают им часть своей энергии. В результате средняя скорость молекул обоих тел будет выравниваться, пока не достигнет некоторого равновесного значения.

---

Проверим, будет ли достаточно выполнения этих двух условий. Да, мы получим электрический ток. Но пользы от него будет немного, поскольку он практически сразу прекратится: электроны распределятся по проводнику (см. рис. 4).

Рис. 4. Распределение зарядов в проводнике под действием электрического поля

В итоге общий заряд как с одной, так и с другой стороны проводника станет равным нулю, электрическое поле исчезнет. Соответственно, прекратится электрический ток. Поэтому для длительного протекания электрического тока необходимо создать и поддерживать электрическое поле, для этого нужно постоянно разделять заряды. Выделяют третье условие существования электрического тока: замкнутая цепь.

Устройства, которые обеспечивают разделение зарядов, называются источниками электрического тока. Источники тока постоянно разделяют электрические заряды, поэтому электрическое поле не исчезает. Разделенные заряды накапливаются на полюсах источника: отрицательном и положительном. В зависимости от того, за счет какой энергии происходит разделение зарядов, выделяют разные виды источников тока:

– К механическим источникам тока относится электрофорная машина (см. рис. 5).

Рис. 5. Электрофорная машина

Используется принцип электризации влиянием, когда присутствие электрического заряда рядом с проводником разделяет заряд в этом проводнике. При вращении подвижной части этот наведенный заряд переходит на накопитель, и далее процесс повторяется. Эта машина сейчас используется в основном для демонстрации физических явлений.

– К тепловым источникам тока относится термоэлемент. Принцип их работы основан на том, что разность температур в разных областях проводника заставляет электроны двигаться так, что заряды распределяются. Чаще всего термоэлементы применяются в различных датчиках температуры.

– К световым источникам относятся фотоэлементы. В них заряды разделяются при поглощении фотоэлементом энергии светового излучения. Из множества фотоэлементов состоят солнечные батареи. Также фотоэлементы используются в датчиках освещения.

– К химическим источникам относятся гальванические элементы и аккумуляторы. В них накопление и перенос заряда сопровождается переносом вещества и химическими реакциями. Несколько гальванических элементов, составленных вместе, называются батареей гальванических элементов, или попросту батарейкой. Батарейки и аккумуляторы имеют широкое применение: от бытовых приборов до аппаратуры на спутниках.

Основной источник электроэнергии – это электростанции, к которым вы подключаетесь через сеть электропередач, когда пользуетесь розеткой. Конечно, электростанция – это не огромная батарейка. Там разделение зарядов происходит немного по-другому, используется взаимосвязь электрического и магнитного полей, но более подробно мы будем говорить об этом в старших классах.

Итак, можно выделить три основных условия существования тока: внешнее электрическое поле, наличие свободных зарядов и, естественно, замкнутый контур, по которому будут двигаться заряды.

Эти условия обеспечиваются наличием проводника и источника тока. Чаще всего электрический ток мы будем рассматривать в цепи из металлических проводников и гальванических элементов, но вы должны понимать, что на их месте может быть любой источник тока и любой вид проводника.

Действия электрического тока проявляются в различных электрических приборах, например в лампе или нагревателе. Чтобы они работали, их необходимо подключить с помощью проводников к источнику тока. Соединение источника тока с электрическими приборами (потребителями) называется электрической цепью (см. рис. 6).

Рис. 6. Электрическая цепь

Поскольку источник тока может быть любым, да и потребители могут различаться, то удобнее изображать электрическую цепь схематически. Это будет называться схемой электрической цепи, или просто электрической схемой (см. рис. 7).

Рис. 7. Схема электрической цепи

Для каждого элемента цепи есть свои обозначения (см. рис. 8).

Рис. 8. Условные обозначения некоторых элементов цепи

Мы говорили о замкнутой цепи как об условии существования тока, то есть если цепь разомкнуть, ток течь не будет. Процесс замыкания/размыкания цепи осуществляется с помощью ключа (см. рис. 9).

Рис. 9. Условное обозначение ключа

 

Сила тока

 

 

Необходимо как-то оценивать ток количественно: есть молния, от удара которой загораются деревья и разрушаются здания, а есть батарейка, ток от которой мы даже не ощущаем. Понятно, что это разные вещи и ток молнии больше, сильнее, чем от батарейки. Как это «больше, сильнее» выразить?

 

Чтобы описать напор воды в шланге (трубе), удобно использовать следующую характеристику: какой объем (масса) воды протекает через сечение шланга за единицу времени. А электрический ток – это «поток» заряда. Удобно считать, какой заряд q проходит через поперечное сечение проводника за единицу времени t. Эту величину назвали силой тока и договорились обозначать буквой I.

I= q/ t, [I] = А

В СИ сила тока измеряется в амперах.

Измеряют силу тока с помощью прибора, который называется амперметр. Принцип его действия основан на магнитном действии тока. Мы говорили, что вокруг проводника с током возникает магнитное поле – составляющая электромагнитного поля. Так проводник может вступать в магнитное взаимодействие, причем чем больше ток через проводник внутри амперметра, тем сильнее будет магнитное взаимодействие. Именно по силе взаимодействия и определяют величину тока (см. рис. 10).

Рис. 10. Амперметр и его обозначение в схеме электрической цепи

Мы считаем ток скалярной величиной, бессмысленно говорить о направлении тока, он может течь, только повторяя форму проводника. Единственное, где могут быть варианты, – это одно из двух направлений. Когда что-то перемещается, передается и есть только два возможных направления, удобно использовать инструмент отрицательных чисел. Мы так делали, когда обозначали количество теплоты Q. Мы приняли его положительным, когда тело получает теплоту, и отрицательным – когда теряет. Для силы тока приняли направление от плюса к минусу источника, то есть направление движения положительно заряженных частиц.

А что делать, если в проводнике нет свободных положительно заряженных частиц? Например, в металле носителями тока являются электроны – отрицательно заряженные частицы. В этом случае направление тока противоположно направлению движения отрицательных частиц. Отрицательно заряженные электроны движутся от минуса к плюсу, это все равно, что такой же положительный заряд движется от плюса к минусу, и в математическом выражении это одно и то же. И если нам не важно, какие именно частицы движутся, а важна величина силы тока, то можем использовать эту модель: ток течет от плюса к минусу.

---

 

Движение положительных и отрицательных зарядов

Рассмотрим подробнее утверждение, что перемещение отрицательного заряда в одном направлении эквивалентно перемещению положительного заряда в противоположном.

Пусть в точке А был заряд 10 Кл, в точке Б был заряд 20 Кл. Из точки А переместился заряд 5 Кл в точку Б (см. рис. 11).

Рис. 11. Перемещение заряда от А к В

Итого, в точке А заряд уменьшился на 5 Кл, стал 10 – 5 = 5 Кл; в точке Б заряд увеличился на 5 Кл, стал 20 + 5 = 25 Кл.

Рассмотрим другую ситуацию. Пусть заряд –5 Кл переместился из точки Б в точку А (см. рис. 12).

Рис. 12. Перемещение заряда от В к А

Тогда в точке Б заряд уменьшился на –5 Кл, то есть стал: 20 – (–5) = 25 Кл. А в точке А заряд увеличился на –5 Кл и стал: 10 + (–5) = 5 Кл.

Видим, что итог одинаковый: что в первом, что во втором случае. То есть перенос положительного заряда из точки А в точку Б эквивалентен переносу отрицательного заряда из точки Б в точку А.

---

 

Список литературы

1. Генденштейн Л.Э, Кайдалов А.Б., Кожевников В.Б. Физика 8. / Под ред. Орлова В.А., Ройзена И.И. – М.: Мнемозина.
2. Перышкин А. В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
3. Фадеева А.А., Засов А.В., Киселев Д.Ф. Физика 8. – М.: Просвещение.

 

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-портад «class-fizika.narod.ru» (Источник)
2. Интернет-портад «class-fizika.narod.ru» (Источник)
3. Интернет-портад «class-fizika.narod.ru» (Источник)
4. Интернет-портад «class-fizika.narod.ru» (Источник)
5. Интернет-портад «class-fizika.narod.ru» (Источник)

 

Домашнее задание

1. На каком действии электрического тока основано получение химически чистых металлов?
2. Нарисуйте схему, в которой будет: источник тока, лампочка, амперметр, звонок и выключатель.
3. В коробке перемешаны медные винты и железные шурупы. Каким образом можно быстро рассортировать их, имея аккумулятор, достаточно длинный медный изолированный провод и железный стержень?

 

 

 

Происхождение постоянного магнетизма

Происхождение постоянного магнетизма
Next: Закон Гаусса для магнитного поля Вверх: Магнетизм Предыдущий: Магнитное поле Теперь мы знаем о двух различных методах создания магнитного поля. Мы можем либо использовать постоянный магнит, такой как кусок магнетита, или мы можем запустить ток вокруг электрической цепи. Эти два метода принципиально разные, или они как-то связаны друг с другом? Давайте исследовать дальше.

Рисунок 28: Магнитные поля соленоида (слева) и стержневого магнита (справа).

Как показано на рис. 28, внешних магнитных полей, создаваемых соленоид и обычный стержневой магнит удивительно похожи в внешность. Кстати, эти поля можно легко нанести на карту с помощью железных опилок. Вышеприведенное наблюдение позволяет сформулировать две альтернативных гипотезы происхождения магнитное поле стержневого магнита. Первая гипотеза заключается в том, что Поле стержневого магнита создается соленоидоподобными токами, которые текут вокруг магнита. снаружи магнита, против часовой стрелки, как мы смотрим вдоль магнита от северного к южному полюсу.

Несомненно, по аналогии с соленоидом, чтобы такие токи генерировали правильное поле снаружи магнит. Вторая гипотеза состоит в том, что поле создается положительный магнитный монополь , расположенный близко к северному полюсу магнита, в сочетании с отрицательный монополь равной величины, расположенный близко к южному полюсу магнита. Что такое магнитный монополь? ну это в принципе магнитный эквивалент электрического заряда. Положительный магнитный монополь представляет собой изолированный магнитный северный полюс. Мы ожидаем, что силовые линии магнитного поля излучаться от такого объекта так же, как линии электрического поля излучают от положительного электрического заряда. Аналогично, отрицательный магнитный монополь представляет собой изолированный магнитный южный полюс. Мы ожидаем, что силовые линии магнитного поля излучать по направлению к такому объекту, как излучают силовые линии электрического поля к отрицательному электрическому заряду. Образцы магнитного поля, создаваемые оба типа монополя изображены на рис.  29.. Если мы поместим положительный монополь вблизи северного полюса стержневого магнита и отрицательного монополя такая же величина, близкая к южный полюс, то результирующая картина магнитного поля получается путем наложения на поля, создаваемые двумя монополями по отдельности. Как легко показать, поле, создаваемое вне магнита ничем не отличается от соленоида.

Рисунок 29: Силовые линии магнитного поля, создаваемые магнитными монополями.

Теперь у нас есть две альтернативные гипотезы, объясняющие происхождение магнитного поля барный магнит. Какой эксперимент мы могли бы провести, чтобы определить, какие из этих две гипотезы верны? Ну, предположим, что мы щелкаем наш стержневой магнит надвое. Что происходит согласно каждой гипотезе? Если мы разрежем соленоид пополам, мы просто закончим с двумя более короткими соленоидами. Итак, согласно нашей первой гипотезе, если мы сломаем стержневой магнит пополам, то мы просто получим два меньших стержневых магнита.

Однако наша вторая гипотеза предсказывает, что если мы сломаем стержневой магнит пополам. тогда мы получим два равных и противоположных магнитных монополя. Разумеется, первый прогноз соответствует эксперименту, а второй наверняка нет. Действительно, мы можем разбить магнитный стержень на столько же отдельных кусочки, как нам нравится. Каждая часть по-прежнему будет действовать как маленький стержневой магнит. Не важно как маленькие мы делаем куски, мы не можем изготовить магнитный монополь. На самом деле никто никогда не наблюдал магнитный монополь. экспериментально, что приводит большинство физиков к выводу, что магнитный монополей не существует . Таким образом, можно сделать вывод, что магнитное поле стержневой магнит создается токами, подобными соленоидам, текущими по поверхность магнита. Но каково происхождение этих течений?

Чтобы ответить на последний вопрос, примем несколько упрощенный модель атомной структуры стержневого магнита. Предположим, что ось север-юг магнита выровнена по -оси так, что -координата северного полюса магнита больше чем у его южного полюса.

Предположим далее, что атомы, из которых состоит магнит идентичны кубиков , упакованных очень близко друг к другу. Каждый атом несет поверхностный ток , который циркулирует в – плоскости в против часовой стрелки (если смотреть вниз по оси). Когда атомы расположены в виде единой решетки, образуя магнит, токи внутренней поверхности компенсируются, оставляя ток который течет только по внешней поверхности магнита. Это показано на рис. 30. Таким образом, соленоидоподобные токи, которые должны протекать через поверхность магнита для учета связанного с ним магнитного поля, на самом деле только равнодействующее токов, которые циркулируют в каждом составляющий атом магнита. Но каково происхождение этих атомных токов?

Рисунок 30: Схематическая диаграмма картины тока в постоянном магните.

Атомы состоят из отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг положительно заряженных электронов. заряженные ядра. Движущийся электрический заряд представляет собой электрический ток, поэтому должен быть ток, связанный с каждым электроном в атоме. В большинстве атомов, эти токи компенсируют друг друга, так что атом переносит нулевой чистый ток. Однако в атомах

ферромагнитные материалы ( т.е. , железо, кобальт и никель) эта отмена не полная, так что эти атомы действительно несут чистый ток. Обычно все атомные токи смешиваются ( т.е. , они не выровнены ни в какой конкретной плоскости) чтобы они усреднялись до нуля на а макроскопический масштаб. Однако, если ферромагнитный материал помещают в сильное магнитное поле, то токи, циркулирующие в каждый атом становится выровненным таким образом, что они текут преимущественно в плоскости, перпендикулярной поле. В этой ситуации токи могут объединяться вместе, образуя макроскопическое магнитное поле, которое усиливает поле выравнивания. В некоторых ферромагнитные материалы, атомные токи остаются выровненными после выключения поля юстировки, поэтому макроскопическое поле, создаваемое эти токи также остаются. Мы называем такие материалы постоянные магниты .

В заключение, все магнитных полей, встречающихся в природе, генерируются циркуляционные токи . Принципиальной разницы между полями нет. генерируемые постоянными магнитами и генерируемые токами, протекающими вокруг обычные электрические цепи. В первом случае токи, генерирующие поля циркулируют в атомном масштабе, тогда как в последнем случае токи циркулировать в макроскопическом масштабе ( т.е. , масштаб схемы).

---

Next: Закон Гаусса для магнитного поля Вверх: Магнетизм Предыдущий: Магнитное поле

Ричард Фицпатрик 2007-07-14

Объяснение урока: Электромагнитные взаимодействия в проводящих петлях

В этом объяснении мы узнаем, как анализировать ток, индуцируемый в проводящих петлях, путем изменения магнитных полей и магнитного поля, вызванного токовой петлей.

Когда мы говорим о магнитном поле, в котором изменяется проводящая петля, мы можем иметь в виду одно из двух:

• Проводящая петля движется из области с одной величиной и направлением магнитного поля в область, где имеет другую величину или направление.
• Проводящая петля находится в состоянии покоя в магнитном поле, которое меняет величину или направление.

Сначала рассмотрим проводящую петлю, которая движется из области с нулевым магнитным полем в область с ненулевым однородным магнитным полем. Это показано на следующем рисунке.

Когда часть петли попадает в магнитное поле, на свободные электроны в той части петли, которая входит в поле, действует сила, направление которой перпендикулярно как магнитному полю, так и движению петли. Это показано на следующем рисунке.

Сила воздействует только на свободные электроны в той части петли, которая находится внутри магнитного поля. Эти электроны отталкиваются к одному концу провода. Эта концентрация свободных электронов на одном конце провода индуцирует ток в петле, отталкивая свободные электроны на конце той части петли, где они сконцентрированы, и притягивая свободные электроны на противоположном конце части петли к где сосредоточены свободные электроны. Это показано на следующем рисунке.

Отсюда видно, что индукционный ток будет только в том случае, если верны два условия:

• Петля движется. Если петля не движется, на свободные электроны не действует никакая сила.
• Часть цикла находится в пределах поля, а часть цикла — вне поля. Если петля полностью находится в магнитном поле, сила, действующая на свободные электроны, одинакова для всех частей петли. Ток возникает в петле только в том случае, если результирующая сила в одной части петли больше, чем в других частях петли.

Направление тока, индуцируемого в контуре, определяется по правилу правой руки. Это показано на следующем рисунке.

В дополнение к току, индуцируемому в петле, может быть полезно учитывать разность потенциалов, индуцируемую в петле. Для прямого проводника разность потенциалов — это разность потенциалов концов проводника. Однако петля не имеет концов, поэтому необходимо рассмотреть другое представление о разности потенциалов.

Разность потенциалов 𝑉 может быть выражена как 𝑉=𝑊𝑄, где 𝑊 – работа, совершаемая разностью потенциалов над зарядом, 𝑄, через разность потенциалов.

Для проводящего контура «через разность потенциалов» означает «вокруг контура». Когда магнитное поле в петле изменяется, свободные электроны в петле совершают работу, чтобы перемещать их по петле против сопротивления материала, из которого сделана петля. Таким образом, мы можем определить разность потенциалов, индуцированную в петле изменением магнитного поля. Это часто называют ЭДС, индуцированной в петле, 𝜖.

Значение 𝜖 зависит от скорости изменения магнитного поля в контуре. Это известно как скорость изменения магнитной потокосцепления.

Магнитный поток 𝜙 в области пространства определяется выражением 𝜙=𝐵𝐴, где 𝐵 — напряженность магнитного поля в регионе, а 𝐴 — площадь, перпендикулярная направлению магнитного поля, через которую проходят силовые линии магнитного поля.

Скорость изменения магнитного потокосцепления может быть представлена ​​скоростью, с которой петля проходит через линии магнитного поля. Это показано на следующем рисунке, показывающем положения с интервалом в одну секунду двух идентичных петель, входящих в два одинаковых магнитных поля.

Мы видим, что петля с большей скоростью имеет большую скорость изменения магнитного потокосцепления.

Мы также можем сравнить две петли с одинаковыми скоростями, которые входят в магнитные поля разной силы. Это показано на следующем рисунке.

Как 𝜙=𝐵𝐴, скорость изменения магнитного потокосцепления может быть представлена ​​выражением 𝐵×Δ𝐴Δ𝑡, где 𝐵 — напряженность магнитного поля магнитного поля, перпендикулярного направлению скорости петли, 𝐴 — изменение площади петли, переходящей в магнитное поле, а Δ𝑡 — интервал времени, в который эта площадь входит поле.

Величина ЭДС индукции 𝜖 для контура определяется выражением 𝜖=𝐵Δ𝐴Δ𝑡.

Эту формулу можно применить к катушке, состоящей из множества витков, умножив ЭДС индукции на количество витков в катушке, 𝑁: 𝜖=𝑁𝐵Δ𝐴Δ𝑡.

Давайте теперь рассмотрим пример с проводящей катушкой, перемещаемой в однородное магнитное поле.

Пример 1. Определение ЭДС, индуцированной в проводящей катушке, находящейся в однородном магнитном поле

Проводящая катушка имеет радиус 𝑟=13 см и 35 витков. Катушку перемещают так, чтобы половина ее площади находилась в однородном магнитном поле напряженностью 0,16 Тл, направленном из плоскости диаграммы, изображенной вдоль оси катушки. Катушка перемещается из своего старого положения в новое за 0,24 с.

1. Какова величина электродвижущей силы, индуцируемой в катушке? Дайте ответ с точностью до двух знаков после запятой.
2. Ток проходит через катушку по часовой или против часовой стрелки?

Ответ

Часть 1

Величина ЭДС 𝜖, индуцируемой в катушке, определяется по формуле 𝜖=𝑁𝐵Δ𝐴Δ𝑡, где 𝑁 — число витков катушки, 𝐵 — напряженность магнитного поля, Δ𝐴Δ𝑡 — скорость изменения площади катушки, входящей в магнитное поле.

Значение 𝑁 указано равным 35, а значение 𝐵 указано равным 0,16 Тл.

Площадь катушки, 𝐴, определяется выражением 𝐴=𝜋𝑟, где 𝑟 заявлено равным 13 см, что равно 0,13 м. Половина площади катушки входит в магнитное поле. Интервал времени, в течение которого это происходит, составляет 0,24 с.

Мы можем подставить эти значения в формулу, чтобы получить 𝜖=35×0,16×(0,13)0,24.Tms

С точностью до двух знаков после запятой 𝜖 равно 0,62 В.

Часть 2

Направление тока можно определить по правилу правой руки. Используя направления движения и магнитного поля для части проводящего контура в катушке, которая первой начинает попадать в магнитное поле, направление тока в контуре показано на следующем рисунке.

Мы видим, что текущее направление – по часовой стрелке.

Теперь мы объяснили основные принципы индукции ЭДС, переместив проводящую петлю из области, в которой магнитное поле равно нулю, в область, в которой магнитное поле отлично от нуля.

Рассмотрим теперь индукцию ЭДС в статической петле изменяющимся магнитным полем.

Одной из ситуаций, когда это происходит, является перемещение стержневого магнита к проводящей петле или от нее.

На следующем рисунке показано упрощенное изображение силовых линий магнитного поля от северного полюса стержневого магнита, проходящих через две петли на разных расстояниях от полюса магнита. Показанные силовые линии представляют собой двумерное поперечное сечение магнитного поля вокруг северного полюса магнита.

Мы видим, что чем дальше от полюса магнита петля, тем силовые линии больше расходятся, и поэтому плотность силовых линий уменьшается по мере удаления от полюса магнита. Тогда величина магнитного поля должна уменьшаться дальше от полюса.

К этой системе можно применить правило правой руки. Это показано на следующем рисунке.

Важно отметить, что только составляющая магнитного поля, перпендикулярная направлению движения магнита, индуцирует ток в контуре. Это показано на следующем рисунке.

Это может быть неочевидно, но важно понимать, что ток индуцировался бы точно так же, если бы стержневой магнит был неподвижен, а проводящая петля была перемещена к полюсу магнита.

Эта симметрия применима и к однородным магнитным полям. Если бы однородное магнитное поле, способное двигаться, должно было попасть в область, содержащую проводящую петлю, в петле возникла бы ЭДС. Не имеет значения, движется ли это проводящая петля или магнитное поле.

Теперь рассмотрим пример с проводящей катушкой, перемещаемой в неоднородном магнитном поле.

Пример 2. Определение изменения напряженности магнитного поля, индуцирующего ЭДС в проводящей катушке

Проводящая катушка с четырьмя витками имеет диаметр 𝑑=25см. Катушка перемещается на 1,5 см со скоростью 𝑣=7,5/см параллельно оси неподвижного стержневого магнита, как показано на схеме. ЭДС величиной 3,6 мВ индуцируется в катушке, когда она проходит мимо магнита. Найти изменение напряженности магнитного поля между точками, в которых катушка начала движение, и точками, в которых она остановилась. Дайте ответ в экспоненциальном представлении с точностью до одного десятичного знака.

Ответ

Величина ЭДС 𝜖, индуцированной в катушке, входящей в магнитное поле, определяется по формуле 𝜖=𝑁𝐵Δ𝐴Δ𝑡, где 𝑁 — число витков катушки, 𝐵 — напряженность магнитного поля, Δ𝐴Δ𝑡 — скорость изменения площади катушки, входящей в магнитное поле.

Однако в этом случае площадь катушки, находящаяся в магнитном поле, не меняется. Вместо этого изменяется напряженность магнитного поля. Поэтому мы можем выразить уравнение для 𝜖 как 𝜖=𝑁𝐴Δ𝐵Δ𝑡.

В этой форме уравнения 𝐴 является константой, а изменение 𝐵, Δ𝐵, является членом уравнения.

Мы хотим определить величину Δ𝐵.

Чтобы определить Δ𝐵, уравнение должно быть перестроено так, чтобы Δ𝐵 стало предметом, следующим образом: 𝜖=𝑁𝐴Δ𝐵Δ𝑡𝜖Δ𝑡=𝑁𝐴Δ𝐵𝜖Δ𝑡𝑁𝐴=Δ𝐵.

Индуцируемая ЭДС равна 3,6 мВ или 0,0036 В.

Значение 𝑁 указано равным 4. 𝐴=𝜋𝑟.

Значение 𝑟 не указано, но оно равно половине диаметра 𝑑 катушки. Значение 𝑑 указано равным 25 см. Это дает значение 𝑟, равное 12,5 см или 0,125 м.

Площадь катушки определяется выражением 𝐴=𝜋×0,125=0,015625𝜋.м

Катушка перемещается на расстояние 1,5 см или 0,015 м.

Скорость катушки указана равной 7,5 см/с или 0,075 м/с.

Время 𝑡, в течение которого движется катушка, определяется выражением 𝑡==0. 0150.075/=0.2.distancespeedmmss

Теперь мы можем использовать уравнение 𝜖Δ𝑡𝑁𝐴=Δ𝐵.

Подставляя значения 𝐴 и Δ𝑡 мы определили, 0,0036×0,24×0,015625𝜋=Δ𝐵.Vsm

С точностью до одного десятичного знака Δ𝐵 равно 3,7×10 T.

Формула для величины 𝜖 не является полной версией формулы. ЭДС индукции имеет не только величину, но и знак.

Формула: ЭДС, индуцируемая в токовой петле из-за изменяющегося магнитного поля 𝜖=−𝑁𝐵Δ𝐴Δ𝑡, где 𝑁 — число витков катушки, 𝐵 — напряженность магнитного поля, Δ𝐴Δ𝑡 — скорость изменения площади катушки, перпендикулярной магнитному полю, входящего в магнитное поле.

Формула также может иметь вид 𝜖=−𝑁𝐴Δ𝐵Δ𝑡, который применяется, когда постоянная площадь петли находится в пределах изменяющегося магнитного поля.

Знак минус в полной версии формулы указывает на то, что считается, что ЭДС имеет направление, противоположное направлению величины, соответствующей члену в формуле. Если в формулу включен отрицательный знак ЭДС индукции, то она известна как закон Ленца.

Мы можем объяснить это следующим образом.

• ЭДС, индуцированная в петле изменяющимся магнитным полем, создает ток.
• Индуцированный ток создает второе магнитное поле.
• Направление второго магнитного поля противоположно направлению магнитного поля, индуцирующего ток.

Этот процесс показан на следующей последовательности рисунков.

Здесь мы видим магнитное поле стержневого магнита, индуцирующее ток, как поперек, так и поперек области петли.

Далее мы увидим действие этого индуцированного тока.

Здесь мы видим, глядя сначала через, а затем поперёк контура, магнитное поле, индуцируемое током в контуре.

Силовые линии магнитного поля, индуцированного током, указывают на правую сторону контура. Это означает, что правая сторона петли действует как северный полюс магнита.

Итак, мы видим, что магнитное поле, индуцируемое в петле, отталкивает стержневой магнит.

Это направление, противоположное индуцируемому магнитному полю, является значением отрицательного знака в формуле для индуктируемой ЭДС.

Интересно спросить, индуцирует ли магнитное поле петли, индуцированное током, индуцированным в петле, другой ток в петле. Ответ положительный, и это явление называется самоиндукцией петли. Однако этот объяснитель не рассматривает это явление.

Рассмотренные примеры включали движение либо петли, либо источника магнитного поля. Однако магнитное поле может изменяться без движения источника поля или без движения петли.

Предположим, что проводящая катушка изначально находится в состоянии покоя внутри большей проводящей катушки, как показано на следующем рисунке.

Каждая катушка на самом деле представляет собой всего лишь один провод, который сформирован в виде ряда петель. Если к проводу, образующему большую катушку, подключена разность потенциалов, то в большой катушке будет протекать ток.

Ток в большой катушке индуцирует магнитное поле в большой катушке. Маленькая катушка будет находиться в пределах магнитного поля большой катушки. Первоначально через маленькую катушку не было магнитного поля, поэтому индукция магнитного поля большой катушки изменит силу магнитного поля, внутри которой находится малая катушка. Затем в маленькой катушке индуцируется ток.

Давайте рассмотрим пример, в котором одна катушка индуцирует ток в другой.

Пример 3: Определение ЭДС, наводимой в катушке второй катушкой радиусом 7,2 см, как показано на схеме. Верхняя часть меньшей катушки находится ниже верхней части большей катушки. Большая катушка подключена к источнику переменного напряжения, и в большей катушке индуцируется ток, который создает внутри нее однородное магнитное поле, величина которого изменяется от нуля до величины 360 мТл за время 23 мс.

1. Какова величина электродвижущей силы, индуцируемой в меньшей катушке? Дайте ответ с точностью до двух знаков после запятой.
2. Ток через меньшую катушку по часовой стрелке или против часовой стрелки?

Ответ

Часть 1

ЭДС 𝜖, индуцируемая на малой катушке, входящей в магнитное поле, определяется по формуле 𝜖=−𝑁𝐴Δ𝐵Δ𝑡, где 𝑁 — количество витков катушки, 𝐴 — площадь катушки, а Δ𝐵Δ𝑡 — скорость изменения магнитного поля, в котором находится маленькая катушка. Так, 𝜖Δ𝑡𝑁𝐴=Δ𝐵.

Количество витков в катушке равно 6.

Площадь катушки 𝐴 определяется выражением 𝐴=𝜋𝑟, где 𝑟 равно 2,1 см или 0,021 м.

Площадь катушки определяется выражением 𝐴=𝜋×0,021=0,000441𝜋.м

Магнитное поле изменяется от 0 Тл до 360 мТл. Тогда изменение магнитного поля определяется выражением Δ𝐵=0,360−0=0,360.TTT

Время Δ𝑡, в течение которого изменяется напряженность магнитного поля, составляет 23 мс или 0,023 с.

Подстановка полученных значений в 𝜖=−𝑁𝐴Δ𝐵Δ𝑡, мы получаем 𝜖=−6×0.000441𝜋×0.3600.023.mTs

С точностью до двух знаков после запятой 𝜖 равно 0,13 В.

Часть 2

Ток в большой катушке индуцирует магнитное поле. В центре большой катушки это поле действует вертикально вниз. Магнитное поле большой катушки должно индуцировать ток в маленькой катушке, который индуцирует магнитное поле в центре маленькой катушки, действующее вертикально вверх. Это показано на следующем рисунке.

Чтобы маленькая катушка создавала направленное вверх магнитное поле, ток в маленькой катушке должен течь по часовой стрелке.

Интересно спросить, будет ли магнитное поле, индуцируемое в малом контуре, индуцировать ток в большом контуре. Ответ положительный, и это явление называется взаимной индукцией двух катушек. Однако этот объяснитель не рассматривает это явление.

Давайте теперь обобщим то, что было изучено в этом объяснителе.

Ключевые моменты

• В проводящей петле, через которую проходит изменяющееся магнитное поле, в петле индуцируется ЭДС, и, следовательно, в петле индуцируется ток.
• Не имеет значения, движется ли петля через область, в которой магнитное поле изменяется в пространстве через эту область, или изменяется ли магнитное поле, в котором находится петля. Любая из этих ситуаций приводит к ЭДС индукции в контуре.
• ЭДС 𝜖, индуцируемая катушкой, входящей в магнитное поле, определяется по формуле 𝜖=−𝑁𝐵Δ𝐴Δ𝑡, где 𝑁 — число витков катушки, 𝐵 — напряженность магнитного поля, Δ𝐴Δ𝑡 — скорость изменения площади катушки, перпендикулярной магнитному полю, входящего в магнитное поле.