Прежде, чем разобраться с тем, что такое электромагнитная индукция, нужно определить такую сущность, как магнитный поток.
Представьте, что вы взяли обруч в руки и вышли на улицу в ливень. Чем сильнее ливень, тем больше через этот обруч пройдет воды — поток воды больше.
Если обруч расположен горизонтально, то через него пройдет много воды. А если начать его поворачивать — уже меньше, потому что он расположен не под прямым углом к вертикали.
Теперь давайте поставим обруч вертикально — ни одной капли не пройдет сквозь него (если ветер не подует, конечно).
Магнитный поток по сути своей — это тот же самый поток воды через обруч, только считаем мы величину прошедшего через площадь магнитного поля, а не дождя.
Магнитным потоком через площадь S контура называют скалярную физическую величину, равную произведению модуля вектора магнитной индукции B, площади поверхности S, пронизываемой данным потоком, и косинуса угла α между направлением вектора магнитной индукции и вектора нормали (перпендикуляра к плоскости данной поверхности):
Магнитный поток
Ф — магнитный поток [Вб]
B — магнитная индукция [Тл]
S — площадь пронизываемой поверхности [м^2]
n — вектор нормали (перпендикуляр к поверхности) [-]
Магнитный поток можно наглядно представить как величину, пропорциональную числу магнитных линий, проходящих через данную площадь.
В зависимости от угла α магнитный поток может быть положительным (α 90°). Если α = 90°, то магнитный поток равен 0. Это зависит от величины косинуса угла.
Изменить магнитный поток можно меняя площадь контура, модуль индукции поля или расположение контура в магнитном поле (поворачивая его).
В случае неоднородного магнитного поля и неплоского контура, магнитный поток находят как сумму магнитных потоков, пронизывающих площадь каждого из участков, на которые можно разбить данную поверхность.
Электромагнитная индукция
Электромагнитная индукция — явление возникновения тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего его.
Явление электромагнитной индукции было открыто М. Фарадеем.
Майкл Фарадей провел ряд опытов, которые помогли открыть явление электромагнитной индукции.
Опыт раз. На одну непроводящую основу намотали две катушки: витки первой катушки были расположены между витками второй. Витки одной катушки были замкнуты на гальванометр, а второй — подключены к источнику тока.
При замыкании ключа и протекании тока по второй катушке в первой возникал импульс тока. При размыкании ключа также наблюдался импульс тока, но ток через гальванометр тек в противоположном направлении.
Опыт два. Первую катушку подключили к источнику тока, а вторую — к гальванометру. При этом вторая катушка перемещалась относительно первой. При приближении или удалении катушки фиксировался ток.
Опыт три. Катушка замкнута на гальванометр, а магнит движется вдвигается (выдвигается) относительно катушки
Вот, что показали эти опыты:
Индукционный ток возникает только при изменении линий магнитной индукции.
Направление тока будет различно при увеличении числа линий и при их уменьшении.
Сила индукционного тока зависит от скорости изменения магнитного потока. Может изменяться само поле, или контур может перемещаться в неоднородном магнитном поле.
Почему возникает индукционный ток?
Ток в цепи может существовать, когда на свободные заряды действуют сторонние силы. Работа этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль замкнутого контура равна ЭДС.
Значит, при изменении числа магнитных линий через поверхность, ограниченную контуром, в нем появляется ЭДС, которую называют ЭДС индукции.
Закон электромагнитной индукции
Закон электромагнитной индукции (закон Фарадея) звучит так:
ЭДС индукции в замкнутом контуре равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром.
Математически его можно описать формулой:
Закон Фарадея
Ɛi — ЭДС индукции [В]
ΔФ/Δt — скорость изменения магнитного потока [Вб/с]
Знак «–» в формуле позволяет учесть направление индукционного тока. Индукционный ток в замкнутом контуре всегда направлен так, чтобы магнитный поток поля, созданного этим током сквозь поверхность, ограниченную контуром, уменьшал бы те изменения поля, которые вызвали появление индукционного тока.
Если контур состоит из N витков (то есть он — катушка), то ЭДС индукции будет вычисляться следующим образом.
Закон Фарадея для контура из N витков
Ɛi — ЭДС индукции [В]
ΔФ/Δt — скорость изменения магнитного потока [Вб/с]
N — количество витков [-]
Сила индукционного тока в замкнутом проводящем контуре с сопротивлением R:
Закон Ома для проводящего контура
Ɛi — ЭДС индукции [В]
I — сила индукционного тока [А]
R — сопротивление контура [Ом]
Если проводник длиной l будет двигаться со скоростью v в постоянном однородном магнитном поле с индукцией B ЭДС электромагнитной индукции равна:
ЭДС индукции для движущегося проводника
Ɛi — ЭДС индукции [В]
B — магнитная индукция [Тл]
v — скорость проводника [м/с]
l — длина проводника [м]
Возникновение ЭДС индукции в движущемся в магнитном поле проводнике объясняется действием силы Лоренца на свободные заряды в движущихся проводниках. Сила Лоренца играет в этом случае роль сторонней силы.
Движущийся в магнитном поле проводник, по которому протекает индукционный ток, испытывает магнитное торможение. Полная работа силы Лоренца равна нулю.
Количество теплоты в контуре выделяется либо за счет работы внешней силы, которая поддерживает скорость проводника неизменной, либо за счет уменьшения кинетической энергии проводника.
Изменение магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур, может происходить по двум причинам:
вследствие перемещения контура или его частей в постоянном во времени магнитном поле. Это случай, когда проводники, а вместе с ними и свободные носители заряда, движутся в магнитном поле
вследствие изменения во времени магнитного поля при неподвижном контуре. В этом случае возникновение ЭДС индукции уже нельзя объяснить действием силы Лоренца. Явление электромагнитной индукции в неподвижных проводниках, возникающее при изменении окружающего магнитного поля, также описывается формулой Фарадея
Таким образом, явления индукции в движущихся и неподвижных проводниках протекают одинаково, но физическая причина возникновения индукционного тока оказывается в этих двух случаях различной:
в случае движущихся проводников ЭДС индукции обусловлена силой Лоренца
в случае неподвижных проводников ЭДС индукции является следствием действия на свободные заряды вихревого электрического поля, возникающего при изменении магнитного поля.
Правило Ленца
Чтобы определить направление индукционного тока, нужно воспользоваться правилом Ленца.
Академически это правило звучит следующим образом: индукционный ток, возбуждаемый в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, всегда направлен так, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызывающего индукционный ток.
Давайте попробуем чуть проще: катушка в данном случае — это недовольная бабуля. Забирают у нее магнитный поток — она недовольна и создает магнитное поле, которое этот магнитный поток хочет обратно отобрать.
Дают ей магнитный поток, забирай, мол, пользуйся, а она такая — «Да зачем сдался мне ваш магнитный поток!» и создает магнитное поле, которое этот магнитный поток выгоняет.
Источник
Вектор индукции магнитного поля
Средняя оценка: 4.5
Всего получено оценок: 182.
Средняя оценка: 4.5
Всего получено оценок: 182.
Вокруг проводников с током всегда возникает вихревое магнитное поле. Его силовая характеристика называется магнитной индукцией. И, как и любая сила, магнитная индукция является векторной величиной. Рассмотрим вектор магнитной индукции более подробно.
Вектор магнитной индукции
Действие магнитного поля проявляется в том, что оно влияет на проводник с током, создавая силу Ампера.
Рис. 1. Действие магнитного поля на проводник с током.
Сила Ампера зависит как от величины магнитной индукции, так и от взаимной ориентации линий магнитного поля и проводника с током. Следовательно, магнитная индукция должна характеризоваться модулем и направлением, то есть, быть векторной.
Направление индукции
Поскольку первым замеченным проявлением магнитного поля было действие на стрелку компаса, направление линий магнитного поля было принято за направление северной стрелки. Таким образом, линии, определяющие магнитный поток Земного магнитного поля, выходят из Южного полюса, тянутся вокруг земного шара, и входят в Северный полюс.
Для проводников и контуров с током были установлены специальные мнемонические правила, определяющие направление возникающего магнитного поля.
Правило буравчика: если направление поступательного движения острия буравчика при ввинчивании совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращательного движения буравчика в каждой точке совпадает с направлением вектора индукции магнитного поля.
Рис. 2. Правило буравчика.
Правило обхвата правой рукой для проводника с током: если большой палец правой руки указывает направление тока, то остальные пальцы будут показывать направление магнитных линий.
Правило обхвата правой рукой для катушки: если четыре пальца направляются вдоль витков катушки, в направлении тока в них, то большой палец укажет направление вектора магнитной индукции.
В правиле обхвата в обоих случаях большой палец укажет прямую линию, а остальные пальцы – охватывающую.
Рис. 3. Правило обхвата правой рукой.
Приведенные правила эквивалентны. Более удобным для определения направления вектора индукции магнитного поля является правило обхвата правой рукой. Однако, в большинстве классических источников приводится правило буравчика, поэтому знать его тоже желательно.
Модуль индукции
Модуль вектора индукции магнитного поля можно получить, используя закон Ампера:
$$\big|\overrightarrow F \big| =I<\big|\overrightarrow B\big|>Δl\thinspace sin\thinspace\alpha$$
Физический смысл магнитной индукции – это максимальная сила, которая может действовать на проводник единичной длины с единичным током.
Сила будет максимальной при условии $sin \alpha = 1$. Следовательно:
Что мы узнали?
Магнитная индукция – это векторная величина. Ее модуль равен отношению максимальной силы, действующей со стороны поля на проводник с единичным током единичной длины, а для определения направления вектора используются мнемонические правила буравчика и обхвата правой рукой.
Источник
Физика. 11 класс
Конспект урока
Физика, 11 класс
Урок 3. Магнитная индукция. Действие магнитного поля на проводник и движущуюся заряжённую частицу
Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:
1) магнитное поле;
2) вектор магнитной индукции, линии магнитной индукции;
3) сила Ампера, сила Лоренца;
4) правило буравчика, правило левой руки.
Глоссарий по теме
Магнитная индукция – векторная величина, характеризующая величину и направление магнитного поля.
Сила Ампера – сила, действующая со стороны магнитного поля на проводник с током.
Сила Лоренца – сила, действующая со стороны магнитного поля на движущую частицу с зарядом.
Правило «буравчика» — правило для определения направления магнитного поля проводника с током.
Правило левой руки – правило для определения направления силы Ампера и силы Лоренца.
Соленоид – проволочная катушка.
Рамка с током – небольшой длины катушка с двумя выводами из скрученного гибкого проводника с током, способная поворачиваться вокруг оси, проходящей через диаметр катушки.
Основная и дополнительная литература по теме урока
Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Чаругин В.М. Физика.11 класс. Учебник для общеобразовательных организаций. М.: Просвещение, 2014. – С. 3 – 20
2. А.П. Рымкевич. Сборник задач по физике. 10-11 классы. — М: Дрофа, 2009. – С.109 — 112
Основное содержание урока
Магнитное поле – особый вид материи, которая создаётся электрическим током или постоянными магнитами. Для демонстрации действия и доказательства существования магнитного поля служат магнитная стрелка, способная вращаться на оси, или небольшая рамка (или катушка) с током, подвешенная на тонких скрученных гибких проводах.
Рамка с током и магнитная стрелка под действием магнитного поля поворачиваются так, что северный полюс (синяя часть) стрелки и положительная нормаль рамки указывают направление магнитного поля.
Магнитное поле, созданное постоянным магнитом или проводником с током, занимает всё пространство в окрестности этих тел. Магнитное поле принято (удобно) изображать в виде линий, которые называются линиями магнитного поля. Магнитные линии имеют вихревой характер, т.е. линии не имеют ни начала, ни конца, т.е. замкнуты. Направление касательной в каждой точке линии совпадает с направлением вектора магнитной индукции. Поля с замкнутыми линиями называются вихревыми.
Магнитное поле характеризуется векторной величиной, называемой магнитной индукцией. Магнитная индукция характеризует «силу» и направление магнитного поля – это количественная характеристика магнитного поля.
Она обозначается символом За направление вектора магнитной индукции принимают направление от южного полюса к северному магнитной стрелки, свободно установившейся в магнитном поле.
Направление магнитного поля устанавливают с помощью вектора магнитной индукции.
Направление вектора магнитной индукции прямого провода с током определяют по правилу буравчика (или правого винта).
Правило буравчика звучит следующим образом:
если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением линий магнитного поля тока.
Направление магнитного поля внутри соленоида определяют по правилу правой руки.
Определим модуль вектора магнитной индукции.
Наблюдения показывают, что максимальное значение силы, действующей на проводник, прямо пропорционально силе тока, длине проводника, находящегося в магнитном поле.
Тогда, зависимость силы от этих двух величин выглядит следующим образом
Отношение зависит только от магнитного поля и может быть принята за характеристику магнитного поля в данной точке.
Величина, численно равная отношению максимальной силы, действующей на проводник с током, на произведение силы тока и длины проводника, называется модулем вектора магнитной индукции:
Единицей измерения магнитной индукции является 1 тесла (Тл).
Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле, равна произведению модуля магнитной индукции, силы тока, длины проводника и синуса угла между вектором магнитной индукции и направлением тока:
где α – угол между вектором B и направлением тока.
Направление силы Ампера определяется правилом левой руки:
Если ладонь левой руки развернуть так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, а четыре вытянутых пальца были направлены по направлению тока, то отогнутый на 90 0 большой палец покажет направление силы Ампера.
Сила Ампера — сила, действующая на проводник с током со стороны магнитного поля.
Сила Лоренца – сила, действующая на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля. Её численное значение равно произведению заряда частицы на модули скорости и магнитной индукции и синус угла меду векторами скорости и магнитной индукции:
– заряд частицы;
– скорость частицы;
B – модуль магнитной индукции;
– угол между векторами скорости частицы и магнитной индукции.
Направление силы Лоренца также определяют по правилу левой руки:
Если четыре вытянутых пальца левой руки направлены вдоль вектора скорости заряженной частицы, а вектор магнитной индукции направлен в ладонь, то отведённый на 90 0 большой палец покажет направление силы Лоренца. Если частица имеет заряд отрицательного знака, то направление силы Лоренца противоположно тому направлению, которое имела бы положительная частица.
Получим формулы для радиуса окружности и периода вращения частицы, которая влетает в однородное магнитное поле перпендикулярно линиям магнитной индукции, применяя формулы второго закона Ньютона и центростремительного ускорения.
Согласно 2-му закону Ньютона
Время, за которое частица делает полный оборот (период обращения), равно:
Многим юным бывает досадно, что они не родились в старые времена, когда делались открытия. Им кажется, что теперь всё известно и никаких открытий на их долю не осталось.
Одной из нераскрытых тайн является механизм земного магнитного поля. Как же и чем вызывается магнитное поле Земли? Подумайте и может быть…
Одна из возможных гипотез.
Как известно, ядро Земли имеет высокую температуру
и высокую плотность. Судя по исследованиям, в самом центре содержится твёрдое ядро. При вращении Земли вокруг своей оси центр тяжести не совпадает с геометрическим центром из-за притяжения Солнца. В результате сместившееся из центра ядро вращаясь относительно оболочки Земли вызывает такое же движение жидкой расплавленной массы мантии, как чайная ложка, перемешивающая воду в стакане. Получается не что иное, как направленное движение зарядов. Есть электрический ток, а он, в свою очередь, создаёт магнитное поле.
Разбор тренировочных заданий
1. На рисунке изображён проводник с током, помещённый в магнитное поле. Стрелка указывает направление тока в проводнике. Вектор магнитной индукции направлен перпендикулярно плоскости рисунка к нам. Как направлена сила, действующая на проводник с током?
— точка означает, что магнитная индукция направлена на нас из глубины плоскости рисунка.
Используя правило левой руки, определяем направление силы Ампера:
Левую руку располагаем так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, 4 пальца направим вниз по направлению тока, тогда отогнутый на 90 0 большой палец покажет направление силы Ампера, т. е. она направлена влево.
2. По проводнику длиной 40 см протекает ток силой 10 А. Чему равна индукция магнитного поля, в которое помещён проводник, если на проводник действует сила 8 мН?
(Ответ выразите в мТл).
3. Определите модуль силы, действующей на проводник длиной 50 см при силе тока 10 А в магнитном поле с индукцией 0,15 Тл. (Ответ выразите в мН).
4. Протон в магнитном поле с индукцией 0,01 Тл описал окружность радиусом 10 см. Найдите скорость протона. (Ответ выразите в км/с, округлив до десятков)
5. С какой скоростью влетает электрон в однородное магнитное поле (индукция 1,8 Тл) перпендикулярно к линиям индукции, если магнитное поле действует на него с силой 3,6∙10 — ¹² Н? Ответ выразите в км/с.
6. Электрон движется в однородном магнитном поле с индукцией 3,14мТл. Чему равен период обращения электрона? (Ответ выразите в наносекундах, округлив до целых)
Запишем формулу модуля магнитной индукции:
B = 0,008 Н / ( 0,4м·10 A) = 0,002 Tл = 2 мTл.
Запишем формулу силы Ампера:
F = 0,l5 Tл· 10 A· 0,5 м = 0,75 Н = 750 мН
Заряд протона равен: q₀ = l,6·l0⁻ˡ⁹ Кл,
масса протона: m = l,67·l0⁻²⁷ кг.
Согласно 2-му закону Ньютона:
v = ( l,6·l0⁻ˡ⁹ Кл·0,l м·0,0l Tл) / l,67·l0⁻²⁷ кг ≈ 0,00096·l0⁸ м/с ≈ l00 км/с.
Ответ: v ≈ l00 км/с.
Найти:
Заряд электрона равен: q₀ = l,6·l0⁻ˡ⁹ Кл.
Используем формулу силы Лоренца:
.
Выразим из формулы силы скорость, учитывая, что sin90°=l,
v = 3,6·l0⁻¹² Н / (l,6·l0⁻ˡ⁹ Кл· l,8 Tл) = l,25·l0⁷м/с = l2500 км/с.
Ответ: v = l2500 км/с.
B = 3,l4 мТл = 3,l4·l0⁻³ Tл,
Масса электрона равна: m = 9,l·l0⁻³¹ кг.
Время, за которое частица делает полный оборот (период обращения), равно:
T = 2·3,l4·9,l·l0⁻³¹ кг/( l,6·l0⁻ˡ⁹ Кл·3,l4·l0⁻³ Tл) = ll,375·l0⁻⁹ с ≈ ll нс.
Рис. 1. Действие магнитного поля на проводник с током.
Рис. 2. Правило буравчика.
Рис. 3. Правило обхвата правой рукой.
За направление вектора магнитной индукции принимают направление от южного полюса к северному магнитной стрелки, свободно установившейся в магнитном поле.
зависит только от магнитного поля и может быть принята за характеристику магнитного поля в данной точке.
– заряд частицы;
– скорость частицы;
– угол между векторами скорости частицы и магнитной индукции.
— точка означает, что магнитная индукция направлена на нас из глубины плоскости рисунка.
.
