§ 31. Магнитный поток. Явление электромагнитной индукции
После опытов Эрстеда и Ампера стало понятно, что электрические и магнитные поля имеют одни и те же источники: движущиеся электрические заряды. Это позволило предположить, что они каким-то образом связаны друг с другом. Фарадей был абсолютно уверен в единстве электрических и магнитных явлений. Вскоре после открытия Эрстеда в своём дневнике в декабре 1821 г. Фарадей записал: «Превратить магнетизм в электричество». На решение этой фундаментальной задачи ему понадобилось десять лет. После многочисленных экспериментов Фарадей сделал эпохальное открытие — замыкая и размыкая электрическую цепь одной катушки, он в замкнутой цепи другой катушки получил электрический ток. Наблюдаемое явление Фарадей назвал электромагнитной индукцией.
Магнитный поток. Индукция магнитного поля характеризует магнитное поле в конкретной точке пространства. Чтобы охарактеризовать магнитное поле во всех точках поверхности, ограниченной замкнутым контуром, ввели физическую величину, которую назвали магнитным потоком (потоком индукции магнитного поля).
Магнитный поток через плоскую поверхность, находящуюся в однородном магнитном поле, — физическая скалярная величина, равная произведению модуля индукции магнитного поля, площади поверхности и косинуса угла между направлениями нормали к этой поверхности и индукции магнитного поля ( рис. 173 ):
Единицей магнитного потока в СИ является вебер (Вб). 1 Вб — магнитный поток однородного магнитного поля индукцией 1 Тл через плоскую поверхность, расположенную перпендикулярно индукции магнитного поля, площадь которой 1 м 2 .
Формула (31.1) позволяет сделать вывод, что магнитный поток зависит от взаимной ориентации линий индукции магнитного поля и нормали к плоской поверхности. Магнитный поток максимален, если α = 0, т. е. если поверхность перпендикулярна линиям индукции магнитного поля:
Если плоская поверхность параллельна линиям индукции (α = 90°), то магнитный поток через неё равен нулю.
На практике часто встречаются ситуации, когда линии индукции магнитного поля пересекают поверхности, ограниченные не одним контуром, а несколькими. Так, например, линии индукции могут пересекать поверхности, ограниченные витками соленоида, которые «параллельны» друг другу и имеют одинаковую площадь поверхности. В этом случае магнитный поток определяют по формуле
где N — число витков соленоида; S — площадь поверхности, ограниченной каждым витком.
Изменить магнитный поток через поверхность, ограниченную контуром, можно, изменяя: 1) индукцию магнитного поля, в котором находится контур; 2) размеры этого контура; 3) ориентацию контура в магнитном поле.
От теории к практике
Квадратная проволочная рамка со стороной длиной а = 4 см помещена в однородное магнитное поле, линии индукции которого перпендикулярны плоскости рамки, а модуль индукции В = 0,5 Тл. Какова убыль магнитного потока через поверхность, ограниченную рамкой, при её повороте на угол β = 90°?
Явление электромагнитной индукции. В 1831 г. Фарадей провёл серию опытов, которые позволили установить следующие факты:
1) при движении постоянного магнита относительно катушки, подключённой к гальванометру, в катушке возникал электрический ток (стрелка гальванометра отклонялась). Причём направление тока изменялось на противоположное при изменении направления движения магнита. Это же явление происходило, если магнит был неподвижен, а двигали катушку ( рис. 174 );
2) в катушке, подключённой к гальванометру, возникал электрический ток, если относительно неё двигали другую катушку, которая была подключена к источнику постоянного тока ( рис. 175 );
3) если две катушки намотаны на общий каркас и одну подключали к гальванометру, а другую – к источнику тока, то ток в первой катушке возникал при изменении тока во второй ( рис. 176 ).
Во всех рассмотренных случаях электрический ток в цепи гальванометра возникал только при изменении магнитного потока через поверхности, ограниченные витками катушки, подключённой к гальванометру ( рис. 177 ). Причём значение силы тока, возникающего в контуре, не зависело от способа изменения магнитного потока, а определялось только скоростью его изменения. Назвали такой ток индукционным током.
Индукционный ток — электрический ток, возникающий в замкнутом проводящем контуре при любом изменении магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром.
Для существования тока в замкнутой электрической цепи необходимо, чтобы на свободные заряженные частицы действовали сторонние силы, т. е. в цепи должен быть источник ЭДС. Очевидно, что в опытах Фарадея источником этих сторонних сил являлся изменяющийся магнитный поток, который создавал в цепи ЭДС. Эту ЭДС назвали электродвижущей силой индукции или ЭДС индукции. Если цепь замкнута, ЭДС индукции создаёт индукционный ток, т. е. возникновение индукционного тока является вторичным эффектом.
Электромагнитная индукция — явление возникновения ЭДС индукции в контуре, который либо покоится в изменяющемся во времени магнитном поле, либо движется в постоянном магнитном поле так, что магнитный поток через поверхность, ограниченную контуром, меняется.
От теории к практике
1. Что изменилось бы в опытах Фарадея, если бы он использовал катушки с большим количеством витков?
2. Отличается ли электрический ток, индуцированный в проводнике, от электрического тока, создаваемого любым другим источником, например гальваническим элементом?
Из истории физики
Один из историков науки писал: «…работы других учёных — Кулона, Гальвани, Эрстеда, Араго, Ампера — представляли собой отдельные пики, тогда как Фарадей воздвиг “горную цепь” из взаимосвязанных работ».
1. Что называют магнитным потоком? Что является единицей магнитного потока в СИ?
2. Какими способами можно изменить магнитный поток через поверхность?
3. При каких условиях в замкнутом проводящем контуре возникает индукционный ток?
4. В чём заключается явление электромагнитной индукции?
5. В каком случае в замкнутом проводящем прямоугольном контуре, находящемся в однородном магнитном поле, индуцируется электрический ток: а) контур движется поступательно; б) контур вращается вокруг оси, проходящей через одну из сторон? Почему?
Какими способами можно изменять магнитный поток, пронизывающий некоторый замкнутый контур? -Как надо ориентировать проволочную рамку в однородном магнитном поле , чтобы магнитный поток через рамку был равен нулю? был максимален?
Нулевой — при расположении рамки вдоль линий магнитного поля, максимальный — перпендикулярно им.
Новые вопросы в Физика
що відбувається між двома різноймено зарядженими кульками?
Пожалуйста помогите пж пж пж
Инерция эмнени тушундурот
Допоможіть будь ласка
Яка густина речовини з якої виготовлено деталь об’ємом 50см³,якщо іі вага 35H
каким образом можно изменять магнитный поток через контур?
правильный ответ (для таких же несчастных) ( :
Изменить магнитный поток через контур можно тремя способами:
изменить площадь контура;
изменить интенсивность магнитного поля;
изменить взаимную ориентацию магнитного поля и плоскости, в которой лежит контур.
Голосование за лучший ответ
увеличить эл ток наверное)))
например создавая регулируемый встречный поток
WaVe,спасибо огромное))))
~~ W a V e ~~Ученик (198) 11 лет назад
пожалуйста
=)
p.s. сама случайно наткнулась.
Похожие вопросы
Ваш браузер устарел
Мы постоянно добавляем новый функционал в основной интерфейс проекта. К сожалению, старые браузеры не в состоянии качественно работать с современными программными продуктами. Для корректной работы используйте последние версии браузеров Chrome, Mozilla Firefox, Opera, Microsoft Edge или установите браузер Atom.
Физика
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:
Опыт Фарадея
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.
Второй опыт
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).
Принцип работы электрогенератора
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.
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:
- Передвижение ползунка реостата
- 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).
Рис. 11. Иллюстрация к задаче
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.
Заключение
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.
Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет
- Интернет-портал «festival.1september.ru» (Источник)
- Интернет-портал «nvtc.ee» (Источник)
- Интернет-портал «class-fizika.narod.ru» (Источник)
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?