фізика / 2 семестр 2 атестація / тема 9 Електромагнітна індукція / Заняття 42

Заняття 42

ЕРС самоіндукції. Електромагнітне поле

Мета: струми Фуко, самоіндукцію, індуктивність, енергію магнітного поля..

1. ЕРС індукції в рухомих провідниках.

2. Індуктивність котушки із струмом. Самоіндукція.

3. Енергія магнітного поля.

4. Електромагнітне поле.

Лабораторна робота №12 «Вивчення явища електромагнітної індукції»

ЕРС індукції в рухомих провідниках

Розглянемо роботу магнітного поля.

Хай в однорідному магнітному полі з індукцією розташований прямолінійний провідник АВ, по якому проходить струм I в напрямі перпендикулярному індукції. Провідник може переміщатися уздовж рейок. На струм I магнітне поле діє з силою F = BIl. Якщо провідник під дією сили переміститься на відстань d, то виконується робота А = Fd = BIld = BIS. Звідси витікає, що робота по переміщенню провідника із струмом в магнітному полі залежить як від сили струму в провіднику, так і від добутку BS, який прийнятий називати магнітним потоком.

Розглянемо плоский замкнутий провідник (контур), поміщений в однорідне магнітне поле, площа поверхні якого дорівнює S. Нормаль до площини провідника складає кут  з напрямом вектора магнітної індукції .

Потоком магнітної індукції Ф через поверхню площі S називають величину, рівну добутку модуля вектора магнітної індукції на площу S і косинусом кута  між векторами і (нормаллю до поверхні). Ф = ВS Cos

Потік магнітної індукції наочно можна тлумачити як величину, пропорційну числу ліній вектора, пронизливих поверхню площі S.

Робота, що виконало сила Ампера при переміщенні в магнітному полі провідника із струмом, рівна А = IФ, де Ф - магнітний потік крізь поверхню, яку описує провідник при своєму русі.

Якщо переміщається замкнутий провідник із струмом, то А = IФ, де Ф - зміна магнітного потоку крізь обмежену контуром поверхню при переміщенні контура з одного положення в інше.

Робота виконана за рахунок енергії джерела струму.

Фізичне значення магнітного потоку : магнітний потік через певну площу чисельно рівний роботі, вчиненій магнітним полем при переміщенні в ньому перпендикулярно вектору магнітної індукції провідника з одиничним струмом.

Енергія магнітного поля

Хай в котушці сила струму змінюється від 0 до I. Тоді магнітний потік Ф змінюється від 0 до LI. Величина роботи, вчиненої джерелом струму, чисельно рівна площі під графіком Ф(I): .

Струм, що проходе по контуру, створює магнітне поле, енергія якого пропорційна індуктивності контура і квадрату сили струму в ньому .

Енергія магнітного поля розосереджена по всьому об'єму. Якщо індуктивність котушки з n витками , де l - довжина котушки, S - площа поперечного перетину, а вектор магнітної індукції , то енергія магнітного поля , де V - об'єм магнітного поля, рівний об'єму котушки.

Явище самоіндукції. Індуктивність. При будь-якій зміні магнітного потоку через контур спостерігається явище електромагнітної індукції. Магнітний потік може також виникати в результаті проходження струму в даному контурі, що приведе до появи е.р.с. індукції і додаткового струму. Це явище називають самоіндукцією, а індукований в контурі (провіднику) струм - екстра струмом. Згідно закону Ленца, напрям екстра струму протилежний зростаючому або спадаючому струму джерела, включеного в ланцюг.

Через провідники, що мають неоднакові розміри і форму, при заданому значенні струму проходитиме різна кількість ліній магнітного потоку. Для характеристики форми і розмірів провідника вводять величину, рівну потоку магнітної індукції через площу контура, по якому тече струм, рівний одиниці. Цю величину називають коефіцієнтом самоіндукції або індуктивністю провідника і позначають L: .

За одиницю індуктивності прийнятий генрі, Г, - індуктивність такого контура, в якому при струмі в 1 А виникає потік в 1Вб: 1 Г= 1 Вб/А.

Скориставшись формулами, можна одержати вираз для е.р.с. самоіндукції: .

Якщо струм вимірювати в амперах, індуктивність в генрі, час в секундах, е.р.с. одержимо у вольтах.

Електромагнітне поле. Не можна створити змінне магнітне поле без того, щоб одночасно в просторі не виникло і електричне поле. І навпаки, змінне електричне поле не може існувати без магнітного.

Електричне і магнітне поле - прояв єдиного цілого - електромагнітного поля, тому вони не існують один без одного.

Енергія електричного поля

Енергія магнітного поля

Енергія електромагнітного поля +

Густина енергії електромагнітного поля +..

Питання для самоконтролю

1. У чому полягає явище електромагнітної індукції?

2. Що таке магнітний потік? В чому його фізичне значення?

3. Як визначити напрям індукційного струму?

4. Як формулюється правило Ленца?

5. Що означає знак «-» в законі електромагнітної індукції?

6. Що таке самоіндукція? За яких умов вона виявляється?

7. Що таке індуктивність? Які одиниці вимірювання індуктивності?

8. Від чого залежить індуктивність котушки?

9. Чому рівна робота магнітного поля?

10. Як визначити енергію електромагнітного поля?

Домашній конспект

Струми Фуко. В суцільних металевих тілах при зміні магнітного потоку також виникають індуковані струми. Їх називають вихровими струмами або струмами Фуко. Величина і напрям вихрових струмів залежить від форми тіла, властивостей матеріалу, напряму і швидкості магнітного потоку. Розподіл цих струмів часто буває дуже складним. Оскільки опір масивного провідника малий, то виникаючі вихрові струми можуть бути дуже великими, що викликає сильний нагрів. У багатьох випадках вживаються заходи для ослаблення струмів Фуко. Наприклад, розділяють шматки заліза на окремі, тонкі, ізольовані пластинки. Це приводить до збільшення опору для вихрових струмів і зменшення нагріву. Такий прийом використовується у всіх електричних машинах. В індукційних печах струми Фуко застосовують для нагріву або плавлення металу.

Гучномовець

Гучномовець призначений для збудження звукових хвиль під дією змінного електричного струму, який змінюється із звуковою частотою. В електродинамічному гучномовці (динаміку) використовують дію магнітного поля постійного магніту на змінний струм у рухомій котушці.

Схема будови гучномовця показана на малюнку 141. Звукова котушка ЗК установлена в зазорі кільцевого магніту М. З котушкою жорстко зв'язаний паперовий конус — діафрагма О. Діафрагма укріплена на пружних підвісках, щоб вона могла коливатися разом з рухомою котушкою.

По котушці проходить змінний електричний струм з частотою, що дорівнює звуковій частоті від мікрофона або з виходу радіоприймача, програвача, магнітофона. Під дією сили Ампера котушка коливається вздовж горизонтальної осі гучномовця ОО₁ (див. мал. 141) у такт з коливаннями струму.

Ці коливання передаються діафрагмі і поверхня діафрагми випромінює звукові хвилі.

Першокласні гучномовці відтворюють без значних спотворень звукові коливання в діапазоні 40— 15000 Гц. Але такі пристрої дуже складні. Тому застосовують системи з кількох гучномовців, кожний з яких відтворює звук у певному невеликому інтервалі частот.

Загальним недоліком усіх гучномовців є малий ККД. Вони випромінюють лише 1-3% усієї підведеної до них енергії.

Вправа 42

1. Знайти ЕРС індукції у провіднику з активною довжиною 0,25 м, що рухається в однорідному магнітному полі з індукцією 8 мТл зі швидкістю 5 м/с під кутом 30^о до вектору магнітної індукції.

2. Яка індуктивність соленоїду, якщо при силі струму 5 А крізь нього проходе магнітний потік у 50 мВб?

3. Котушка з залізним осердям перерізом 20 см² має індуктивність 0,02 Гн. Якою повинна бути сила струму, щоб індукція в осерді була 2 мТл, якщо котушка має 1000 витків?