магнитное поле, электромагнитная индукцияx

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ
ОПЫТ ЭРСТЕДА: 1820 год – магнитная стрелка, расположенная около проводника с током
поворачивается и устанавливается перпендикулярно проводнику.
Вывод: магнитная стрелка может вращаться только в магнитном поле, значит, вокруг проводника
с током возникает магнитное поле.
ОПЫТ АМПЕРА: если по двум параллельным проводникам ток протекает в одном направлении,
то проводники притягиваются. Если по двум параллельным
проводникам токи протекают в разных направлениях, то
I1
I2
I1
проводники отталкиваются.
I2
Вывод: вокруг проводника с током возникает магнитное
поле; магнитное поле первого проводника действует на
второй проводник, а магнитное поле второго проводника
действует на первый.
Таким образом, магнитное поле - это особая форма материи. Оно возникает вокруг движущихся
зарядов (проводников с током) и действует на них.
Магнитное поле можно обнаружить по действию его на движущиеся заряды (проводники с
током), и на магнитную стрелку.
Магнитная индукция – это физическая величина, которая является силовой характеристикой
магнитного поля (В, Тесла).
Магнитная индукция показывает величину силы, с которой магнитное поле действует на
проводник длины L, по которому течет ток I.
B=
𝑭
𝑰∙𝒍
1 Тесла – это магнитная индукция такого магнитного поля, которое
действует с силой 1Н на проводник длиной 1м при силе тока
Н
в проводнике 1А. [В] = [А∙м] = [Тл]
Магнитная индукция – величина векторная. Вектор магнитной индукции всегда направлен от
южного полюса S магнитной стрелки к северному N.
N
S
B
У проводника с током направление вектора магнитной индукции можно определить по правилу
буравчика или по правилу правой руки.
ПРАВИЛО БУРАВЧИКА:
Если сам буравчик движется по направлению тока
в проводнике, то направление вращения ручки буравчика
покажет направление вектора магнитной индукции.
I
B
Правило правой руки:
если правой рукой обхватить проводник с током так, чтобы
отогнутый большой палец руки совпадал с направлением тока в проводнике, то 4 других пальца
руки покажут направление магнитных линий.
Графически магнитное поле можно изобразить графически с помощью линий магнитной
индукции.
Линии магнитной индукции – это силовые линии, касательные к которым направлены так
же, как и вектор магнитной индукции.
N
S
I
I
Ток ┴ к нам
ток ┴ от нас
Линии магнитной индукции можно сделать видимыми. Если воспользоваться металлическими
опилками. Металлические опилки в магнитном поле намагничиваются и играют роль магнитных
стрелок, которые устанавливаются вдоль линий магнитной индукции. Линии магнитной индукции
всегда замкнуты, у них нет ни начала, ин конца.
Поля, силовые линии которых замкнуты, называются вихревыми. Работа таких полей по
замкнутому контуру не равна нулю.
Магнитное поле – это вихревое поле, так как его силовые линии замкнутые.
l
Если в какой-то точке пространства, в которой надо определить магнитную индукцию, оказывает
действие не одно магнитное поле, а несколько, индукции которых В1, В2, …Вn, то магнитная
индукция в этой точке равна векторной сумме:
В = В1 + В2 + …+ Вn
Для задач:
N
+
1. полюса у катушки с током определяются так:
северным полюсом катушки будет тот конец,
на который должен смотреть наблюдатель, чтобы
ток в витках протекал против часовой стрелки.
2. Линии магнитной индукции всегда выходят из
северного полюса, а входят в южный.
_
S
Магнитный поток – это множество линий магнитной индукции (Ф, Вебер)
Ф = B∙S𝐜𝐨𝐬 𝜶
S – площадь поверхности (м2)
𝑛⃗
n – нормаль (перпендикуляр к поверхности)
α
B
α – угол между B и n.
Н∙м2
Н∙м
]
А
[Ф] = [Тл∙м2] = [ А∙ м ] = [
= [Вебер, Вб]
S
Сила Ампера – это сила, действующая на проводник с током, помещенный в магнитное поле
(FA,H)/
Сила Ампера зависит:
1.
2.
3.
4.
FA = B∙I∙L𝐬𝐢𝐧 𝜶
От силы тока в проводнике (I,А),
От длины участка проводника, находящегося в магнитном поле (L,м),
От угла между силой тока и магнитной индукцией (α)
От величины магнитной индукции (В,Тл)
Направление сила Ампера находится по правилу левой руки:
Если левую руку расположить так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, а четыре
пальца руки показывали направление силы тока в проводнике, то отогнутый на 900 большой палец
покажет направление силы Ампера.
- линии магнитной индукции расположены
FA
FA
┴ плоскости листа (к нам)
- линии магнитной индукции расположены
┴ плоскости листа (от нас)
I
I
Применение силы Ампера:
1.
2.
3.
4.
5.
В электроизмерительных приборах (амперметрах, вольтметрах).
В электродвигателях (вращение ротора): пылесосы, холодильники, стиральные машины.
На транспорте (электрички, троллейбусы, трамваи).
В промышленности (станки).
В громкоговорителях (динамики).
Сила Лоренца – это сила, действующая на заряженную частицу в магнитном поле. (F L,Н)
Сила Лоренца зависит:
1.
2.
3.
4.
от скорости движения частицы (υ, м/с);
от величины магнитной индукции (В,Тл);
от величины заряда частицы (q, Кл);
от угла между скоростью и магнитной индукцией (α).
FL = B∙q∙υ∙ 𝐬𝐢𝐧 𝜶
Направление силы Лоренца находится по правилу левой руки (см. выше); только вместо
направления силы берется направление скорости положительно заряженной частицы.
Для «-» заряженной частицы
+
q
направление силы Лоренца надо
_
υ
υ
FL
q
B
υ
υ
сменить на противоположное
FL
Для задач:
1. Под действием силы Лоренца заряженная частица в магнитном поле движется по
окружности, если она влетает в поле под углом 900 к магнитной индукции.
FL = |q| ∙ B ∙ υ ∙ sin 𝛼 , т.к. α=900, то sin 𝛼 =1;=> FL = |q0| ∙ B ∙ υ (1) Эта сила сообщает частице
центростремительное ускорение а, тогда по II закону Ньютона: FL = m∙a; a =
𝑚∙𝜐2
𝜐2
𝑅
=> FL =
𝒎∙𝝊𝟐
(2)
𝑹
Приравнивая (1) и (2) получим |q0|∙B∙υ =
; |q0|∙B∙R = m∙υ Из этой формулы можно выразить
𝑅
любую величину (R, B, υ), а масса и заряд (в таблице)
2. Если заряженная частица влетает в магнитное поле под углом α‹900, то она будет двигаться
по винтовой линии.
h – шаг витка
у
R – радиус витков
υ
υx – проекция скорости на ОХ
υy – проекция скорости на ОY
υy
α
υY = υ∙ 𝐬𝐢𝐧 𝜶; υx = υ∙ 𝐜𝐨𝐬 𝜶
𝟐∙𝛑𝐑
υY =
;
𝐓
h = υx ∙T - чтобы найти период Т =
х
υx
𝟐∙𝛑𝐑
𝛖
FL
h
Применение силы Лоренца:
1. в электронно-лучевой трубке (кинескопе);
2. в вакуумной кольцевой камере (установка ТОКАМАК);
3. в МГД – генераторах для преобразования кинетической энергии плазменной струи в
электрическую.
ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ
Явление:
в замкнутом контуре возникает индукционный электрический ток при всяком
изменении магнитного потока, пронизывающего этот контур.
Опыт Фарадея:
в катушку, соединённую с гальванометром вдвигают и выдвигают магнит;
стрелка гальванометра отклоняется.
Если магнит вращают в катушке, то тока нет (стрелка не отклоняется).
Закон: ЭДС индукции равна по модулю скорости изменения магнитного потока;
∆Ф – изменение магнитного потока (Вб),
∆Ф
∆𝑡
∆Ф
Ei = N∙| ∆𝒕 |
– скорость изменения магнитного потока (Вб/с).
ЭДС индукции в движущемся проводнике:
Так как заряженные частицы движутся вместе с проводником, то со стороны магнитного поля на
них действует сила Лоренца и смещает электроны в проводнике в одну сторону,
образуется разность потенциалов (ЭДС).
Ei дв = B∙υ∙L∙ 𝐬𝐢𝐧 𝜶
e
электроны смещаются вверх
по правилу левой руки
e
υ
l
e
B
Правило Ленца:
Индукционный ток всегда имеет такое направление, что своим магнитным полем препятствует
изменению магнитного потока, вызвавшего его.
S
S
υ
N
υ
N
υ
N
N
+
S
-
S
N
N
υ
S
-
+
S
S
-
N
+
N
+
S
-
Если магнит подносят к катушке, то она отталкивается, а при удалении магнита от катушки она
притягивается к нему.
Применение электромагнитной индукции:
1. в трансформаторах,
2. в индукционных плавильных печах,
3. в индукционных генераторах переменного тока,
4. в индукционных насосах,
5. в счетчиках электроэнергии,
6. в электродинамических микрофонах.
Самоиндукция – это явление возникновения ЭДС индукции в проводнике при изменении в нем
силы тока.
Применение самоиндукции:
1. Лампа №2 начинает светиться раньше лампы №1,
так как при нарастании тока в катушке, возникает
индукционное электрическое поле, которое по
правилу Ленца противодействует нарастанию тока.
№1
R
№2
6В
2. Так как напряжение источника мало, то при
замыкании цепи лампа не светит, а при
размыкании цепи лампа ярко вспыхивает, так
как в цепи лампы возникает ЭДС самоиндукции.
220 В
Закон самоиндукции: ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна скорости изменения силы
тока в цепи.
L – индуктивность (Гн),
∆𝑰
Eis = L∙| |
∆I – изменение силы тока (А),
Ф = L∙I∙N
∆𝒕
∆𝐼
– скорость изменения силы тока (А/с).
∆𝑡
Индуктивность зависит:
1. о размеров и формы проводника ( индуктивность прямого провода всегда меньше провода,
свернутого в катушку при одинаковой длине);
2. от среды, в которой находится проводник с током (индуктивность катушки с сердечником
больше, чем без него);
В∙с
А
Генри = [Гн] = [ ]
Энергия магнитного поля тока (WM, Дж),
WM =
𝑳∙𝑰𝟐
𝟐
Магнитный вращающий момент (М, Нм);
М = B∙I∙S∙N∙ 𝐬𝐢𝐧 𝜶
Мmax = B∙I∙S∙N
, где α – угол между В и I.