Скорость изменения магнитного потока формула – § 25. Работа по перемещению проводника с током в магнитном поле. Электромагнитная индукция. Индуктивность. Основные формулы
- Комментариев к записи Скорость изменения магнитного потока формула – § 25. Работа по перемещению проводника с током в магнитном поле. Электромагнитная индукция. Индуктивность. Основные формулы нет
- Советы абитуриенту
Магнитный поток
Автор: Субботин Б.П.
На картинке показано однородное магнитное поле. Однородное означает одинаковое во всех точках в данном объеме. В поле помещена поверхность с площадью S. Линии поля пересекают поверхность.
Определение магнитного потока:
Магнитным потоком Ф через поверхность S называют количество линий вектора магнитной индукции B, проходящих через поверхность S.
Формула магнитного потока:
Ф = BS cos α
здесь α – угол между направлением вектора магнитной индукции B и нормалью к поверхности S.
Из формулы магнитного потока видно, что максимальным магнитный поток будет при cos α = 1, а это случится, когда вектор B параллелен нормали к поверхности S. Минимальным магнитный поток будет при cos α = 0, это будет, когда вектор B перпендикулярен нормали к поверхности S, ведь в этом случае линии вектора B будут скользить по поверхности S, не пересекая её.
А по определению магнитного потока учитываются только те линии вектора магнитной индукции, которые пересекают данную поверхность.
Измеряется магнитный поток в веберах (вольт-секундах): 1 вб = 1 в * с. Кроме того, для измерения магнитного потока применяют максвелл: 1 вб = 108 мкс. Соответственно 1 мкс = 10-8 вб.
Магнитный поток является скалярной величиной.
ЭНЕРГИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ТОКА
Вокруг проводника с током существует магнитное поле, которое обладает энергией. Откуда она берется? Источник тока, включенный в эл.цепь, обладает запасом энергии. В момент замыкания эл.цепи источник тока расходует часть своей энергии на преодоление действия возникающей ЭДС самоиндукции. Эта часть энергии, называемая собственной энергией тока, и идет на образование магнитного поля. Энергия магнитного поля равна собственной энергии тока. Собственная энергия тока численно равна работе, которую должен совершить источник тока для преодоления ЭДС самоиндукции, чтобы создать ток в цепи.
Энергия магнитного поля, созданного током, прямо пропорциональна квадрату силы тока. Куда пропадает энергия магнитного поля после прекращения тока? – выделяется ( при размыкании цепи с достаточно большой силой тока возможно возникновение искры или дуги)
4.1. Закон электромагнитной индукции. Самоиндукция. Индуктивность
Основные формулы
· Закон электромагнитной индукции (закон Фарадея):
, (39)
где – эдс индукции;– полный магнитный поток (потокосцепление).
· Магнитный поток, создаваемый током в контуре,
, (40)
· Закон Фарадея применительно к самоиндукции
. (41)
· Эдс индукции, возникающая при вращении рамки с током в магнитном поле,
, (42)
где – индукция магнитного поля;– площадь рамки;– угловая скорость вращения.
· Индуктивность соленоида
, (43)
где – магнитная постоянная;– магнитная проницаемость вещества;– число витков соленоида;– площадь сечения витка;– длина соленоида.
· Сила тока при размыкании цепи
, (44)
где – установившаяся в цепи сила тока;– индуктивность контура,– сопротивление контура;– время размыкания.
· Сила тока при замыкании цепи
. (45)
· Время релаксации
. (46)
Примеры решения задач
Пример 1.
Магнитное поле изменяется по закону , где= 15 мТл,. В магнитное поле помещен круговой проводящий виток радиусом = 20 см под угломк направлению поля (в начальный момент времени). Найти эдс индукции, возникающую в витке в момент времени= 5 с.
Решение
По закону электромагнитной индукции возникающая в витке эдс индукции , где– магнитный поток, сцепленный в витке.
,
где – площадь витка,;– угол между направлением вектора магнитной индукциии нормалью к контуру:.
.
Вычисления дают .
Пример 2 В однородном магнитном поле с индукцией = 0,2 Тл расположена прямоугольная рамка, подвижная сторона которой длиной= 0,2 м перемещается со скоростью= 25 м/с перпендикулярно линиям индукции поля (рис. 42). Определить эдс индукции, возникающую в контуре. Решение При движении проводника АВ в магнитном поле площадь рамки увеличивается, следовательно, возрастает магнитный поток сквозь рамку и возникает эдс индукции. |
По закону Фарадея , где, тогда, но, поэтому.
Так, .
Знак «–» показывает, что эдс индукции и индукционный ток направлены против часовой стрелки.
САМОИНДУКЦИЯ
Каждый проводник, по которому протекает эл.ток, находится в собственном магнитном поле.
При изменении силы тока в проводнике меняется м.поле, т.е. изменяется магнитный поток, создаваемый этим током. Изменение магнитного потока ведет в возникновению вихревого эл.поля и в цепи появляется ЭДС индукции. Это явление называется самоиндукцией.Самоиндукция – явление возникновения ЭДС индукции в эл.цепи в результате изменения силы тока. Возникающая при этом ЭДС называется ЭДС самоиндукции
Проявление явления самоиндукции
Замыкание цепи При замыкании в эл.цепи нарастает ток, что вызывает в катушке увеличение магнитного потока, возникает вихревое эл.поле, направленное против тока, т.е. в катушке возникает ЭДС самоиндукции, препятствующая нарастанию тока в цепи ( вихревое поле тормозит электроны). В результатеЛ1 загорается позже, чем Л2.
Размыкание цепи При размыкании эл.цепи ток убывает, возникает уменьшение м.потока в катушке, возникает вихревое эл.поле, направленное как ток ( стремящееся сохранить прежнюю силу тока) , т.е. в катушке возникает ЭДС самоиндукции, поддерживающая ток в цепи. В результате Л при выключении
ИНДУКТИВНОСТЬ
От чего зависит ЭДС самоиндукции? Эл.ток создает собственное магнитное поле . Магнитный поток через контур пропорционален индукции магнитного поля (Ф ~ B), индукция пропорциональна силе тока в проводнике (B ~ I), следовательно магнитный поток пропорционален силе тока (Ф ~ I). ЭДС самоиндукции зависит от скорости изменения силы тока в эл.цепи, от свойств проводника (размеров и формы) и от относительной магнитной проницаемости среды, в которой находится проводник. Физическая величина, показывающая зависимость ЭДС самоиндукции от размеров и формы проводника и от среды, в которой находится проводник, называется коэффициентом самоиндукции или индуктивностью. Индуктивность – физ. величина, численно равная ЭДС самоиндукции, возникающей в контуре при изменении силы тока на 1Ампер за 1 секунду. Также индуктивность можно рассчитать по формуле:
где Ф – магнитный поток через контур, I – сила тока в контуре.
Единицы измерения индуктивности в системе СИ:
Индуктивность катушки зависит от: числа витков, размеров и формы катушки и от относительной магнитной проницаемости среды ( возможен сердечник).
ЭДС САМОИНДУКЦИИ
ЭДС самоиндукции препятствует нарастанию силы тока при включении цепи и убыванию силы тока при размыкании цепи.
Для характеристики намагниченности вещества в магнитном поле используетсямагнитный момент (Рм). Он численно равен механическому моменту, испытываемому веществом в магнитном поле с индукцией в 1 Тл.
Магнитный момент единицы объема вещества характеризует его намагниченность – I, определяется по формуле:
I= Рм /V, (2.4)
где V – объем вещества.
Намагниченность в системе СИ измеряется, как и напряженность, в А/м, величина векторная.
Магнитные свойства веществ характеризуются объемной магнитной восприимчивостью – cо , величина безразмерная.
Если какое-либо тело поместить в магнитное поле с индукцией В0, то происходит его намагничивание. Вследствие этого тело создает свое собственное магнитное поле с индукцией В‘, которое взаимодействует с намагничивающим полем.
В этом случае вектор индукции в среде (В)будет слагаться из векторов:
В = В0 + В‘
(знак вектора опущен), (2.5)где В‘ –индукция собственного магнитного поля намагнитившегося вещества.
Индукция собственного поля определяется магнитными свойствами вещества, которые характеризуются объемной магнитной восприимчивостью – cо , справедливо выражение:В‘ = cо В0 (2.6)
Разделим на m0 выражение (2.6):
В‘/ mо= cо В0 /m0
Получим: Н‘ = cо Н0 , (2.7)
но Н‘ определяет намагниченность вещества I, т.е. Н‘
I = cо Н0. (2.8)
Таким образом, если вещество находится во внешнем магнитном поле с напряженностьюН0, то внутри него индукция определяется выражением:
В=В0 + В‘ = m0Н0 +m0Н‘ = m0 (Н0 + I) (2.9)
Последнее выражение строго справедливо, когда сердечник (вещество) находится полностью во внешнем однородном магнитном поле (замкнутый тор, бесконечно длинный соленоид и т.д.).
studfiles.net
Изменение магнитного потока
Содержание:
- Взаимосвязь электромагнитной индукции и магнитного потока
- Проведение исследований явления индукции
- Правило Ленца в отношении магнитного потока
- Видео
Взаимосвязь электрических и магнитных полей замечена очень давно. Данную связь еще в 19 веке обнаружил английский ученый-физик Фарадей и дал ему название электромагнитной индукции. Она появляется в тот момент, когда магнитный поток пронизывает поверхность замкнутого контура. После того как происходит изменение магнитного потока в течение определенного времени, в этом контуре наблюдается появление электрического тока.
Взаимосвязь электромагнитной индукции и магнитного потока
Суть магнитного потока отображается известной формулой: Ф = BS cos α. В ней Ф является магнитным потоком, S – поверхность контура (площадь), В – вектор магнитной индукции. Угол α образуется за счет направления вектора магнитной индукции и нормали к поверхности контура. Отсюда следует, что максимального порога магнитный поток достигнет при cos α = 1, а минимального – при cos α = 0.
Во втором варианте вектор В будет перпендикулярен к нормали. Получается, что линии потока не пересекают контур, а лишь скользят по его плоскости. Следовательно, определять характеристики будут линии вектора В, пересекающие поверхность контура. Для расчета в качестве единицы измерения используется вебер: 1 вб = 1в х 1с (вольт-секунда). Еще одной, более мелкой единицей измерения служит максвелл (мкс). Он составляет: 1 вб = 108 мкс, то есть 1 мкс = 10-8 вб.
Для исследования электромагнитной индукции Фарадеем были использованы две проволочные спирали, изолированные между собой и размещенные на катушке из дерева. Одна из них соединялась с источником энергии, а другая – с гальванометром, предназначенным для регистрации малых токов. В тот момент, когда цепь первоначальной спирали замыкалась и размыкалась, в другой цепи стрелка измерительного устройства отклонялась.
Проведение исследований явления индукции
В первой серии опытов Майкл Фарадей вставлял намагниченный металлический брусок в катушку, подключенную к току, а затем вынимал его наружу (рис. 1, 2).
1 
2 
В случае помещения магнита в катушку, подключенную к измерительному прибору, в цепи начинает протекать индукционный ток. Если магнитный брусок удаляется из катушки, индукционный ток все равно появляется, но его направление становится уже противоположным. Следовательно, параметры индукционного тока будут изменены по направлению движения бруска и в зависимости от полюса, которым он помещается в катушку. На силу тока оказывает влияние быстрота перемещения магнита.
Во второй серии опытов подтверждается явление, при котором изменяющийся ток в одной катушке, вызывает индукционный ток в другой катушке (рис. 3, 4, 5). Это происходит в моменты замыкания и размыкания цепи. От того, замыкается или размыкается электрическая цепь, будет зависеть и направление тока. Кроме того, эти действия есть ни что иное, как способы изменения магнитного потока. При замыкании цепи он будет увеличиваться, а при размыкании – уменьшаться, одновременно пронизывая первую катушку.
3 
4 
5 
В результате опытов было установлено, что возникновение электрического тока внутри замкнутого проводящего контура возможно лишь в том случае, когда они помещаются в переменное магнитное поле. При этом, поток индукции магнитного поля может изменяться во времени любыми способами.
Электрический ток, появляющийся под действием электромагнитной индукции, получил название индукционного, хотя это и не будет током в общепринятом понимании. Когда замкнутый контур оказывается в магнитном поле, происходит генерация ЭДС с точным значением, а не тока, зависящего от разных сопротивлений.
Данное явление получило название ЭДС индукции, которую отражает формула: Еинд = – ∆Ф/∆t. Ее значение совпадает с быстротой изменений магнитного потока, пронизывающего поверхность замкнутого контура, взятого с отрицательным значением. Минус, присутствующий в данном выражении, является отражением правила Ленца.
Правило Ленца в отношении магнитного потока
Известное правило было выведено после проведения цикла исследований в 30-х годах 19 века. Оно сформулировано в следующем виде:
Направление индукционного тока, возбуждаемого в замкнутом контуре изменяющимся магнитным потоком, оказывает влияние на создаваемое им магнитное поле таким образом, что оно в свою очередь создает препятствие магнитному потоку, вызывающему появление индукционного тока.
Когда магнитный поток увеличивается, то есть становится Ф > 0, а ЭДС индукции снижается и становится Еинд < 0, в результате этого появляется электроток с такой направленностью, при которой под влиянием его магнитного поля происходит изменение потока в сторону уменьшения при его прохождении через плоскость замкнутого контура.
Если поток снижается, то наступает обратный процесс, когда Ф < 0 и Еинд > 0, то есть действие магнитного поля индукционного тока, происходит увеличение магнитного потока, проходящего через контур.
Физический смысл правила Ленца заключается в отражении закона сохранения энергии, когда при уменьшении одной величины, другая увеличивается, и, наоборот, при увеличении одной величины другая будет уменьшаться. Различные факторы влияют и на ЭДС индукции. При вводе в катушку поочередно сильного и слабого магнита, прибор соответственно будет показывать в первом случае более высокое, а во втором – более низкое значение. То же самое происходит, когда изменяется скорость движения магнита.
На представленном рисунке видно, как определяется направление индукционного тока с применением правила Ленца. Синий цвет соответствует силовым линиям магнитных полей индукционного тока и постоянного магнита. Они расположены в направлении полюсов от севера к югу, которые имеются в каждом магните.
Изменяющийся магнитный поток приводит к возникновению индукционного электрического тока, направление которого вызывает противодействие со стороны его магнитного поля, препятствующее изменениям магнитного потока. В связи с этим, силовые линии магнитного поля катушки направлены в сторону, противоположную силовым линиям постоянного магнита, поскольку его движение происходит в сторону этой катушки.
Для определения направления тока используется правило буравчика с правой резьбой. Он должен ввинчиваться таким образом, чтобы направление его поступательного движения совпадало с направлением индукционных линий катушки. В этом случае направления индукционного тока и вращения рукоятки буравчика будут совпадать.
electric-220.ru
Магнитный поток и электромагнитная индукция: физические формулы
Среди физических величин важное место занимает магнитный поток. В этой статье рассказывается о том, что это такое, и как определить его величину.
Формула магнитного потока
Что такое магнитный поток
Это величина, определяющая уровень магнитного поля, проходящего через поверхность. Обозначается «ФФ» и зависит от силы поля и угла прохождения поля через эту поверхность.
Рассчитывается она по формуле:
ФФ=B⋅S⋅cosα, где:
- ФФ – магнитный поток;
- В – величина магнитной индукции;
- S – площадь поверхности, через которую проходит это поле;
- cosα – косинус угла между перпендикуляром к поверхности и потоком.
Единицей измерения в системе СИ является «вебер» (Вб). 1 вебер создаётся полем величиной 1 Тл, проходящим перпендикулярно поверхности площадью 1 м².
Таким образом, поток максимален при совпадении его направления с вертикалью и равен «0», если он параллелен с поверхностью.
Интересно. Формула магнитного потока аналогична формуле, по которой рассчитывается освещённость.
Постоянные магниты
Одним из источников поля являются постоянные магниты. Они известны много веков. Из намагниченного железа изготавливалась стрелка компаса, а в Древней Греции существовала легенда об острове, притягивающем к себе металлические части кораблей.
Постоянные магниты есть различной формы и изготавливаются из разных материалов:
- железные – самые дешёвые, но обладают меньшей притягивающей силой;
- неодимовые – из сплава неодима, железа и бора;
- альнико – сплав железа, алюминия, никеля и кобальта.
Все магниты являются двухполюсными. Это заметнее всего в стержневых и подковообразных устройствах.
Если стержень подвесить за середину или положить на плавающий кусочек дерева или пенопласта, то он развернётся по направлению «север-юг». Полюс, показывающий на север, называют северным и на лабораторных приборах красят в синий цвет и обозначают «N». Противоположный, показывающий на юг, – красный и обозначен » S». Одноимёнными полюсами магниты притягиваются, а противоположными – отталкиваются.
В 1851 году Майкл Фарадей предложил понятие о замкнутых линиях индукции. Эти линии выходят из северного полюса магнита, проходят по окружающему пространству, входят в южный и внутри устройства возвращаются к северному. Ближе всего линии и напряжённость поля у полюсов. Здесь также выше притягивающая сила.
Если на устройство положить кусок стекла, а сверху тонким слоем насыпать железные опилки, то они расположатся вдоль линий магнитного поля. При расположении рядом нескольких приборов опилки покажут взаимодействие между ними: притяжение или отталкивание.
Магнит и железные опилки
Магнитное поле Земли
Нашу планету можно представить в виде магнита, ось которого наклонена на 12 градусов. Пересечения этой оси с поверхностью называют магнитными полюсами. Как и у любого магнита, силовые линии Земли идут от северного полюса к южному. Возле полюсов они проходят перпендикулярно поверхности, поэтому там стрелка компаса ненадёжна, и приходится использовать другие способы.
Частицы «солнечного ветра» имеют электрический заряд, поэтому при движении вокруг них появляется магнитное поле, взаимодействующее с полем Земли и направляющее эти частицы вдоль силовых линий. Тем самым это поле защищает земную поверхность от космической радиации. Однако возле полюсов эти линии направлены перпендикулярно поверхности, и заряженные частицы попадают в атмосферу, вызывая северное сияние.
Электромагниты
В 1820 году Ганс Эрстед, проводя эксперименты, увидел воздействие проводника, по которому протекает электрический ток, на стрелку компаса. Через несколько дней Андре-Мари Ампер обнаружил взаимное притяжение двух проводов, по которым протекал ток одного направления.
Интересно. Во время электросварочных работ рядом расположенные кабеля двигаются при изменении силы тока.
Позже Ампер предположил, что это связано с магнитной индукцией тока, протекающего по проводам.
В катушке, намотанной изолированным проводом, по которому протекает электрический ток, поля отдельных проводников усиливают друг друга. Для увеличения силы притяжения катушку наматывают на незамкнутом стальном сердечнике. Этот сердечник намагничивается и притягивает железные детали или вторую половину сердечника в реле и контакторах.
Электромагниты
Электромагнитная индукция
При изменении магнитного потока в проводе наводится электрический ток. Этот факт не зависит от того, какими причинами было вызвано это изменение: перемещением постоянного магнита, движением провода или изменением силы тока в рядом расположенном проводнике.
Это явление было открыто Майклом Фарадеем 29 августа 1831 года. Его эксперименты показали, что ЭДС (электродвижущая сила), появляющаяся в контуре, ограниченном проводниками, прямопропорциональна скорости изменения потока, проходящего через площадь этого контура.
Важно! Для возникновения ЭДС провод должен пересекать силовые линии. При движении вдоль линий ЭДС отсутствует.
Если катушка, в которой возникает ЭДС, включена в электрическую цепь, то в обмотке возникает ток, создающий в катушке индуктивности своё электромагнитное поле.
Правило правой руки
При движении проводника в магнитном поле в нём наводится ЭДС. Её направленность зависит от направления движения провода. Метод, при помощи которого определяется направление магнитной индукции, называется «метод правой руки».
Правило правой руки
Расчёт величины магнитного поля важен для проектирования электрических машин и трансформаторов.
Видео
Оцените статью:elquanta.ru
Электромагнетизм – учебный материал – Каталог статей
Электромагинтная индукция – это явление возникновения индукционного тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока через него.
Магнитный поток – это величина, численно равная количеству линий магнитной индукции, пересекающих контур площадью S.
Магнитный поток вычисляется по формуле: Ф = BS cos α, где α – угол между нормалью к контуру и вектором магнитной индукции. Измеряется в веберах (Вб).
Таким образом, явление магнитной индукции возникает при любом изменении магнитного потока через контур:
– при изменении магнитной индукции В: ΔФ = ΔBS cos α (движение магнита, движение вторичной катушки с током, изменение силы тока во вторичной катушке при перемещении ползунка реостата или включении/выключении тока в обмотке)
– площади контура S : ΔФ = BΔS cos α
– угла между нормалью и вектором магнитной индукции α: ΔФ = BS(cos α2 – cos α1).
Закон Фарадея: ЭДС индукции, возникающая в контуре при изменении магнитного потока, пересекающего этот контур, равна по модулю скорости изменения магнитного потока:Формула применима, если за промежуток времени Δt магнитный поток изменяется на одну и ту же величину, т.е. когда скорость изменения магнитного потока ΔФ/Δt постоянна.
Причины возникновения ЭДС индукции:
– в замкнутом контуре изменение магнитного потока через него создает вихревое электрическое поле, которое в свою очередь совершает работу по перемещению электрического заряда, которая характеризуется ЭДС индукции;
– в проводнике, движущемся в магнитном поле с постоянной скоростью v, на заряд действует сила Лоренца, которая создает направленное движение заряженных частиц по проводнику. Поэтому ЭДС индукции в движущемся в магнитном поле проводнике равно ℰi = BvL sin α, где α – угол между направлением вектора магнитной индукции и направлением скорости при движении проводника.
Так как в проводнике возникает ЭДС индукции и соответственно индукционный ток, то силу тока можно найти по закону Ома:Направление индукционного тока:
– в замкнутом контуре определяется правилом Ленца: индукционный ток всегда направлен так, что своим магнитным полем он препятствует изменению магнитного потока, вызывающего этот ток.– в проводнике, который движется в магнитном поле, направление индукционного тока определяется правилом левой руки: если расположить левую руку так, чтобы четыре пальца показывали направление движения проводника, магнитные линии входили в ладонь, то большой палец покажет направление индукционного тока в проводнике.
Если ток в контуре по какой-то причине будет изменяться, что созданное током магнитное поле создаст в той же катушке индукционный ток, т.е. будет наблюдаться явление самоиндукции. Магнитный поток в катушке пропорционален силе тока в ней: Ф = LI, где L – величина, называемая индуктивностью катушки L. Индуктивность зависит от свойств катушки: ее длины, числа витков, наличия сердечника и материала, из которого изготовлен сердечник (ферромагнетик, диамагнетик или парамагнетик). Единица измерения индуктивности – генри (Гн).
При самоиндукции ЭДС, возникающая в катушке при равномерном изменении силы тока в ней, равна:Магнитное поле катушки обладает энергией:
bocharova.ucoz.ru
Формула ЭДС индукции, E
Закон Фарадея – Максвелла для электромагнитной индукции
Основной формулой, которая определяет ЭДС индукции, является закон Фарадея – Максвелла, больше известный как основной закон электромагнитной индукции (или закон Фарадея). Этот закон утверждает, что ЭДС индукции в контуре, находящемся в переменном магнитном поле, равна по величине и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока () через поверхность, которую ограничивает данный контур:
где – скорость изменения магнитного потока. Полная производная в законе (1) охватывает весь спектр причин изменения магнитного потока через поверхность контура. Знак минус в формуле (1) соответствует правилу Ленца. Формула (1) для ЭДС индукции записана для системы СИ.
В случае равномерного изменения магнитного потока формулу ЭДС индукции можно записать как:
Частные случаи формул ЭДС индукции
Если контур содержит N витков, которые соединяются последовательно, то ЭДС индукции вычисляют как:
где – потокосцепление.
При движении прямолинейного проводника в однородном магнитном поле в нем возникает ЭДС индукции, которая равна:
где v – скорость движения проводника; l – длина проводника; B – модуль вектора магнитной индукции поля; .
При вращении с постоянной скоростью в однородном магнитном поле плоского контура вокруг оси, которая лежит в плоскости контура в нем возникает ЭДС индукции, равная:
где S – площадь, которую ограничивает виток; – поток самоиндукции витка; — угловая скорость; () – угол поворота контура. Следует учесть, что формула (5) справедлива, если ось вращения составляет прямой угол с направлением вектора внешнего поля .
Если во вращающейся рамке имеется N витков и самоиндукцией рассматриваемой системы можно пренебречь, то:
В стационарном проводнике, который находится в переменном магнитном поле, ЭДС индукции находят по формуле:
Примеры решения задач по теме «ЭДС индукции»
ru.solverbook.com
Магнитный поток и ЭДС индукции
Продолжаем решать задачи на магнитный поток и ЭДС индукции. Здесь уже будет потяжелее: придется и производную, и первообразную находить. Но задачи интересные, и даже геометрические знания пригодились, а именно, формула площади треугольника.
Задача 1. Плоский замкнутый металлический контур площадью см, находится в однородном магнитном поле, индукция которого Тл. Площадь контура за время c равномерно уменьшается до см (плоскость контура при этом остается перпендикулярной магнитному полю). Определите силу тока (в мкА), протекающего по контуру в течение времени , если сопротивление контура Ом.
Поток уменьшился с до , его изменение . Следовательно,
Ток равен
Ответ: 16 мкА
Задача 2. Медное кольцо радиусом см из проволоки диаметром мм расположено в однородном магнитном поле, изменяющемся со скоростью Тл/с. Плоскость кольца перпендикулярна силовым линиям магнитного поля. Определите силу индукционного тока, возникающего в кольце. Удельное сопротивление меди равно Ом м.
Сопротивление кольца равно
Ток в кольце будет равен
Ответ: 0,693 А
Задача 3. При изменении силы тока в замкнутом контуре индуктивностью Гн ЭДС самоиндукции изменялась согласно графику (см. рис.). Чему равна величина изменения тока в интервале времени 1-4 с?
К задаче 3
Так как
То, чтобы найти ток, нужно найти интеграл. То есть – определить площадь под графиком с первой по 4 секунду. Площадь будет равна сумме площадей трапеции и прямоугольника: 3+8.
Ответ: 0,11 А
Задача 4. В однородном магнитном поле с индукцией В = 0,2 Тл начинает двигаться металлический стержень длиной см перпендикулярно вектору магнитной индукции. Координата стержня изменяется по закону . Какая разность потенциалов возникает между концами стержня через 5 с?
Скорость стержня к указанному моменту времени будет равна:
Следовательно, ЭДС:
Ответ: 0,68 В.
Задача 5. Проводящий квадратный контур со стороной см, помещенный в однородное магнитное поле с индукцией В = 0,5 Тл, вектор которой перпендикулярен плоскости контура, складывают пополам (см. рис.). Какой заряд протечет по контуру, если сопротивление единицы длины контура равно Ом/м?
К задаче 5
Площадь контура, складывая его, уменьшают до нуля. Поэтому изменение потока равно . Следовательно,
Откуда
Ответ: 0,125 Кл.
Задача 6. Напряжение на зажимах рамки, начинающей вращаться в однородном магнитном поле, изменяется с течением времени согласно графику на рисунке. Чему приблизительно равна величина магнитного потока, пересекающего рамку в момент времени с?
К задаче 7
Напряжение на зажимах, или ЭДС, есть производная потока, поэтому поток – первообразная ЭДС. ЭДС, судя по графику, можно записать так:
Период равен 4 с, тогда . Амплитуда ЭДС равна 40мВ, следовательно,
Определяем первообразную, то есть берем интеграл:
Подставим нужное время:
Ответ: 28 мВб.
Задача 7. Плоская проволочная рамка находится в магнитном поле, его плоскость перпендикулярна линиям индукции. При равномерном уменьшении магнитного поля до нуля за время с в рамке возник постоянный ток А. Какой ток потечет по рамке при ее повороте в этом поле с постоянной угловой скоростью на угол за время с вокруг оси, перпендикулярной вектору В и лежащей в плоскости рамки?
И в том, и в другом случае меняется поток через рамку. Но индукция поля остается неизменной, ее–то и надо найти:
Откуда
Если рамку повернуть, то изменится площадь, пронизываемая потоком:
Тогда
Подставим индукцию, найденную ранее:
Ответ: 6 мА.
Задача 8. Квадратная рамка со стороной см помещена в однородное магнитное поле с индукцией мТл так, что линии индукции перпендикулярны плоскости рамки (см. рис.). Сопротивление рамки 1 Ом. Какое количество тепла выделится в рамке за 10 с, если ее выдвигать из области, в которой создано поле со скоростью 1 см/с, перпендикулярной линиям индукции? Поле сосредоточено в некоторой четко ограниченной области.
К задаче 8
Площадь рамки, помещенная в поле, будет изменяться. Поэтому поток меняется и в рамке наводится ЭДС.
Ток будет равен:
При протекании такого тока выделится количество теплоты
Ответ: 0,8 нДж
Задача 9. Квадратная рамка помещена в однородное магнитное поле. Нормаль к плоскости рамки составляет с направлением магнитного поля угол . Сторона рамки см. Известно, что среднее значение ЭДС индукции, возникающей в рамке при выключении поля в течение времени с, равно 50 мВ. С какой силой подействовало бы это магнитное поле на протон, влетевший в него со скоростью м/с перпендикулярно вектору ?
. Следовательно,
Пронизываемая потоком площадь рамки равна
Тогда
Найдем из этого выражения индукцию поля:
Сила Лоренца равна
Ответ: Н.
Задача 10. Рамка сопротивлением 15 Ом, имеющая форму равностороннего треугольника, помещена в однородное магнитное поле с индукцией Тл. Плоскость рамки составляет с направлением вектора угол . Определите длину стороны рамки , если при равномерном уменьшении индукции В до нуля в течение с в проводнике рамки выделяется количество тепла 0,5 мДж.
По закону Джоуля-Ленца
Откуда
По закону Ома ,
Площадь рамки равна , площадь, пронизываема потоком, равна
Тогда
Откуда
Ответ : м.
easy-physic.ru
Электромагнитная индукция
Если электрический ток создает магнитное поле, то не может ли в свою очередь магнитное поле вызывать электрический ток в проводнике? Первым нашел ответ на этот вопрос Майкл Фарадей.
В 1831 г. он обнаружил, что в проводящем контуре при изменении магнитного поля возникает электрический ток, который назвали индукционным током.
Индукционный ток в катушке из металлической проволоки возникает при вдвигании магнита внутрь катушки и при выдвигании магнита из катушки, а также при изменении силы тока во второй катушке, магнитное поле которой пронизывает первую катушку. Индукционный ток также возникает при движении контура в постоянном магнитном поле.
Явление возникновения электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного поля, пронизывающего контур, называется электромагнитной индукцией.
Появление электрического тока в замкнутом контуре при изменениях магнитного поля, пронизывающего контур, свидетельствует о действии в контуре сторонних сил неэлектростатической природы или возникновении ЭДС индукции. Для определения ЭДС индукции введем физическую величину – магнитный поток.
Закон электромагнитной индукции
Экспериментальное исследование зависимости ЭДС индукции от изменения магнитного потока привело к установлению закона электромагнитной индукции:
ЭДС индукции в замкнутом контуре равна по модулю скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром. С учетом правила Ленца закон электромагнитной индукции записывается следующим образом:
.
Если в последовательно соединенных контурах происходят одинаковые изменения магнитного потока, то ЭДС индукции в них равна сумме ЭДС индукции в каждом из контуров. Поэтому при изменении магнитного потока в катушке, состоящей из n одинаковых витков провода, общая ЭДС индукции в n раз больше ЭДС индукции в одиночном контуре:
На основе закона электромагнитной индукции в Международной системе единиц определяются единицы магнитного потока и индукции магнитного поля. Магнитный поток через площадь, ограниченную замкнутым контуром, равен 1 Вб, если при равномерном убывании этого потока до нуля за 1 с в контуре возникает ЭДС индукции 1 В:
Для однородного магнитного поля на основании формулы следует, что его магнитная индукция равна 1 Тл, если магнитный поток через контур площадью 1 м2 равен 1 Вб:
Возникновение электрического тока в замкнутом контуре свидетельствует о том, что при изменении магнитного потока, пронизывающего контур, на свободные электрические заряды в контуре действуют силы. Провод контура неподвижен, неподвижными можно считать свободные электрические заряды в нем. На неподвижные электрические заряды может действовать только электрическое поле. Следовательно, при любом изменении магнитного поля в окружающем пространстве возникает электрическое поле. Это электрическое поле и приводит в движение свободные электрические заряды в контуре, создавая индукционный электрический ток. Электрическое поле, возникающее при изменениях магнитного поля, называют вихревым электрическим полем.
Работа сил вихревого поля по перемещению электрических зарядов и является работой сторонних сил, т. е. источником ЭДС индукции. При перемещении единичного положительного заряда вдоль замкнутого неподвижного проводника она численно равна ЭДС индукции в этом проводнике.
Вихревое электрическое поле отличается от электростатического тем, что оно не связано с электрическими зарядами, его линии напряженности представляют собой замкнутые линии. Работа сил вихревого электрического поля при движении электрического заряда по замкнутой линии может быть отлична от нуля.
Рассмотрим причину возникновения ЭДС индукции в проводниках, движущих в неизменном магнитном поле. В этом случае магнитный поток через контур меняется за счет движения проводников контура. Причиной возникновения ЭДС индукции является не вихревое электрическое поле, а сила Лоренца.
studfiles.net
