фізика / 2 семестр 2 атестація / тема 9 Електромагнітна індукція / Заняття 41

Заняття 41

Явище електромагнітної індукції

Мета: розглянути явище електромагнітної індукції, електрорушійну силу індукції

1. Електромагнітна індукція.

2. Електрорушійна сила індукції.

Електромагнітна індукція

Основоположником теорії про електромагнітне поле є Фарадей. Він встановив, що магнітне поле, що змінюється в часі, здатне породжувати електричне, а електричне поле здатне породжувати магнітне.

Явище електромагнітної індукції полягає у виникненні електричного струму в провідному контурі, який або покоїться в змінному магнітному полі, або рухається в постійному магнітному полі таким чином, що число ліній магнітної індукції, які пронизують контур, міняється.

У замкнутому провідному контурі виникає струм при зміні числа ліній магнітної індукції, що пронизують площу, обмежену цим контуром.

І чим швидше міняється число ліній магнітної індукції, тим більше виникаючий струм. При цьому причиною зміни числа ліній магнітної індукції може бути і зміна величини магнітної індукції, що пронизує нерухомий провідник, наприклад унаслідок зміни сили струму в сусідній котушці, або зміна магнітної індукції унаслідок руху котушки в неоднорідному магнітному полі, густина ліній якої міняється в просторі.

Індукований струм. При наближенні магніту до кільця (малюнок зліва) магнітний потік щодо контура збільшується, вектор швидкості зміни індукції магнітного поля на осі кільця позитивний >0.

Кільце відштовхнеться від магніту. Вектор індукції магнітного поля, створеного індукційним струмом в кільці, спрямований по вісі кільця протилежно вектору індукції магнітного поля постійного магніту. Іншими словами, магнітний потік індукційного струму прагне компенсувати зміну магнітного потоку постійного магніту, тобто прагне утримати величину магнітного потоку постійного магніту крізь кільце постійною.

При віддаленні постійного магніту від кільця (малюнок справа) магнітний потік зменшується. Кільце притягується до магніту. В кільці наводиться індукційний струм, направлений протилежно. Напрям ліній індукції магнітного поля кругового струму зміниться на протилежне. І в цьому випадку магнітний потік індукційного струму в кільці прагне компенсувати зменшення магнітного потоку, створеного постійним магнітом.

При збільшенні потоку магнітної індукції через витки котушки індукційний струм має такий напрям, що створюване їм магнітне поле перешкоджає наростанню потоку магнітної індукції через витки котушки. Адже вектор індукції цього поля ' направлений проти вектора індукції , що породжує електричний струм. Якщо ж потік магнітної індукції через котушки слабшає, то індукційний струм створює магнітну індукцію ', щоб збільшити потік магнітної індукції вектора .

Електрорушійна сила індукції. Величина індукованого струму залежить від швидкості зміни магнітного потоку в котушці, числа витків, а також від матеріалу провідника. Виникаючий струм тим більше, чим менше електричний опір котушки (за інших рівних умов). Поява індукованого струму свідчить про те, що за наявності електромагнітної індукції в провіднику виникає електрорушійна сила.

Величина струму I визначається законом Ома: I=, де R - повний опір ланцюга, рівний сумі опорів котушки і решти частин ланцюга, а ε - електрорушійна сила індукції.

При електромагнітній індукції саме е.р.с. індукції, а не індукований струм є основною характеристикою, оскільки величина струму залежить від опору провідника. Так, наприклад, в двох рівних за розмірами і однакових формою контурах е.р.с. буде однаковий, а величина струму більша в тому контурі, опір якого менше. Необхідно відзначити, що е.р.с. індукції виникає у всьому індукційному ланцюзі, тобто у всіх точках ланцюга, де відбувається зміна потоку магнітної індукції.

Величина е.р.с. індукції пропорційна швидкості зміни магнітного потоку, що проходить через контур: ε = –.

Знак «мінус» у формулі означає, що при збільшенні магнітного потоку, пронизливого провідний контур (>0), е.р.с. індукції буде негативний і виникаючий індукційний струм протидіятиме збільшенню магнітного потоку; при зменшенні магнітного потоку (<0) е.р.с. буде позитивною і індукційний струм підтримуватиме спадаючий магнітний потік. У тому випадку, коли величина магнітного потоку з часом змінюється нерівномірно, рівняння дає середнє значення е.р.с.

У котушці з n витками е.р.с. в n рази більше, ніж в одному витку: ε = –n

Напрям е.р.с. індукції визначається правилом Ленца. Рівняння використовується в системі СІ для встановлення одиниці магнітного потоку. Узявши ε = 1 В, t = 1с, одержимо = 1 Вб. Цю одиницю назвали вольт- секундою або вебером. Таким чином, вебер є таким магнітним потоком, зменшення якого до нуля за 1с викликає появу в індукційному контурі е.р.с. індукції, рівної 1В. Одиниця магнітної індукції 1 Тл = 1 .

Для визначення напряму індукованого струму в провіднику зручно використовувати правило правої руки, що витікає із закону Ленца: якщо розташувати долоню правої руки так, щоб в неї входили магнітні силові лінії, а відставлений на 90^о великий палець указував напрям руху провідника, то витягнуті пальці вкажуть напрям струму.

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

Правило Ленца: в замкнутому контурі індукційний струм має такий напрям, що створений їм потік магнітної індукції через площу, обмежену контуром, прагне компенсувати ту зміну потоку магнітної індукції, яка викликає даний струм.

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 41

1. Магнітний потік крізь контур площею 60 см² дорівнює 0,3 мВб. Знайти індукцію всередині контуру. Поле вважати однорідним.

2. Чому коливання стрілки компасу швидше затухають, якщо корпус латунний, і повільно затухають, якщо корпус приладу пластмасовий?

3. Скільки витків повинна мати обмотка на стальному стрижні з перерізом 50 см², щоб у ній при зміні магнітної індукції від 0,1 до 1,1 Тл протягом 5 мс збуджувалася ЕРС індукції 100 В?