§ 31. Магнітны паток. З’ява электрамагнітнай індукцыі
| Сайт: | Профильное обучение |
| Курс: | Фізіка. 10 клас |
| Книга: | § 31. Магнітны паток. З’ява электрамагнітнай індукцыі |
| Напечатано:: | Гость |
| Дата: | Суббота, 4 Май 2024, 16:13 |
Доследы Эрстэда і Ампера дапамаглі зразумець, што электрычныя і магнітныя палі маюць адны і тыя крыніцы — электрычныя зарады, якія рухаюцца. Гэта дазволіла выказаць меркаванне, што палі нейкім чынам звязаны адно з адным. Фарадэй быў абсалютна ўпэўнены ў адзінстве электрычных і магнітных з’яў. Неўзабаве пасля адкрыцця Эрстэда Фарадэй запісаў у дзённіку ў снежні 1821 г.: «Ператварыць магнетызм у электрычнасць». На вырашэнне гэтай фундаментальнай задачы яму спатрэбілася дзесяць гадоў. Пасля шматлікіх эксперыментаў Фарадэй зрабіў эпахальнае адкрыццё: замыкаючы і размыкаючы электрычны ланцуг адной шпулі, ён атрымаў у замкнутым ланцугу другой шпулі электрычны ток. Назіраную з’яву Фарадэй назваў электрамагнітнай індукцыяй.
Магнітны паток. Індукцыя магнітнага поля характарызуе магнітнае поле ў канкрэтным пункце прасторы. Каб ахарактарызаваць магнітнае поле ва ўсіх пунктах паверхні, абмежаванай замкнутым контурам, увялі фізічную велічыню, якую назвалі магнітным патокам (патокам індукцыі магнітнага поля).
Магнітны паток праз плоскую паверхню, якая знаходзіцца ў аднародным магнітным полі, — фізічная скалярная велічыня, роўная здабытку модуля індукцыі магнітнага поля, плошчы паверхні і косінуса вугла паміж напрамкамі нармалі да гэтай паверхні і індукцыі магнітнага поля (мал. 173):
Ф = BScosα.
(31.1)
Адзінкай магнітнага патоку ў СІ з’яўляецца вебер (Вб). 1 Вб — магнітны паток аднароднага магнітнага поля індукцыяй 1 Тл праз плоскую паверхню, размешчаную перпендыкулярна індукцыі магнітнага поля, плошча якой 1 м2.
Формула (31.1) дазваляе зрабіць выснову, што магнітны паток залежыць ад узаемнай арыентацыі ліній індукцыі магнітнага поля і нармалі да плоскай паверхні. Магнітны паток максімальны, калі α = 0, гэта значыць калі паверхня перпендыкулярная лініям індукцыі магнітнага поля:
Фmax = BS.
Калі плоская паверхня паралельная лініям індукцыі (α = 90°), то магнітны паток праз яе роўны нулю.
На практыцы часта сустракаюцца сітуацыі, калі лініі індукцыі магнітнага поля перасякаюць паверхні, абмежаваныя не адным контурам, а некалькімі. Так, напрыклад, лініі індукцыі могуць перасякаць паверхні, абмежаваныя віткамі саленоіда, якія «паралельныя» адзін аднаму і маюць аднолькавую плошчу паверхні. У гэтым выпадку магнітны паток вызначаюць па формуле
Ф = NBS,
дзе N — колькасць віткоў саленоіда; S — плошча паверхні, абмежаванай кожным вітком.
Змяніць магнітны паток праз паверхню, абмежаваную контурам, можна, змяняючы: 1) індукцыю магнітнага поля, у якім знаходзіцца контур; 2) памеры гэтага контуру; 3) арыентацыю контуру ў магнітным полі.
Квадратная драцяная рамка са стараной даўжынёй а = 4 см змешчана ў аднароднае магнітнае поле, лініі індукцыі якога перпендыкулярныя плоскасці рамкі, а модуль індукцыі В = 0,5 Тл. Якім будзе змяншэнне магнітнага патоку праз паверхню, абмежаваную рамкай, пры яе павароце на вугал β = 90°?
З’ява электрамагнітнай індукцыі. У 1831 г. Фарадэй правёў серыю доследаў, якія дазволілі пацвердзіць наступныя факты:
1) пры руху пастаяннага магніта адносна шпулі, падключанай да гальванометра, у шпулі ўзнікаў электрычны ток (стрэлка гальванометра адхілялася). Прычым напрамак току змяняўся на супрацьлеглы пры змене напрамку руху магніта. Гэтая ж з’ява адбывалася, калі магніт быў нерухомы, а рухалі шпулю (мал. 174);
2) у шпулі, падключанай да гальванометра, узнікаў электрычны ток, калі адносна яе рухалі іншую шпулю, якая была падключана да крыніцы пастаяннага току (мал. 175);
3) калі дзве шпулі былі наматаныя на агульны каркас і адну падключалі да гальванометра, а другую — да крыніцы току, то ток у першай шпулі ўзнікаў пры змене току ў другой (мал. 176).
Ва ўсіх разгледжаных выпадках электрычны ток у ланцугу гальванометра ўзнікаў толькі пры змене магнітнага патоку праз паверхні, абмежаваныя віткамі шпулі, падключанай да гальванометра (мал. 177). Прычым значэнне сілы току, які ўзнікаў у контуры, не залежала ад спосабу змянення магнітнага патоку, а вызначалася толькі скорасцю яго змянення. Назвалі такі ток індукцыйным токам.
Індукцыйны ток — электрычны ток, які ўзнікае ў замкнутым праводным контуры пры любой змене магнітнага патоку праз паверхню, абмежаваную гэтым контурам.
Для існавання току ў замкнутым электрычным ланцугу неабходна, каб на свабодныя зараджаныя часціцы дзейнічалі пабочныя сілы, гэта значыць у ланцугу павінна быць крыніца ЭРС. Відавочна, што ў доследах Фарадэя крыніцай гэтых пабочных сіл з’яўляўся магнітны паток, змена якога стварала ў ланцугу ЭРС. Гэтую ЭРС назвалі электрарухаючая сіла індукцыі або ЭРС індукцыі. Калі ланцуг замкнуты, ЭРС індукцыі стварае індукцыйны ток, гэта значыць узнікненне індукцыйнага току з’яўляецца другасным эфектам.
Электрамагнітная індукцыя — з’ява ўзнікнення ЭРС індукцыі ў контуры, які або знаходзіцца ў зменлівым у часе магнітным полі, або рухаецца ў пастаянным магнітным полі так, што магнітны паток праз паверхню, абмежаваную контурам, змяняецца.
1. Што змянілася б у доследах Фарадэя, калі б ён выкарыстаў шпулі з вялікай колькасцю віткоў?
2. Ці адрозніваецца электрычны ток, індуцыраваны ў правадніку, ад электрычнага току, які ствараецца любой іншай крыніцай, напрыклад гальванічным элементам?
З гісторыі фізікі
Адзін з гісторыкаў навукі пісаў: «...працы іншых вучоных — Кулона, Гальвані, Эрстэда, Араго, Ампера — уяўлялі з сябе асобныя пікі, тады як Фарадэй узвёў “горны ланцуг” з узаемазвязаных работ».
1. Што называюць магнітным патокам? Што з’яўляецца адзінкай магнітнага патоку ў СІ?
2. Якімі спосабамі можна змяніць магнітны паток праз паверхню?
3. Пры якіх умовах у замкнутым праводным контуры ўзнікае індукцыйны ток?
4. Што галоўнае ў з’яве электрамагнітнай індукцыі?
5. У якім выпадку ў замкнутым праводным прамавугольным контуры, што знаходзіцца ў аднародным магнітным полі, індуцыруецца электрычны ток: а) контур рухаецца паступальна; б) контур круціцца вакол восі, што праходзіць праз адну са старон? Чаму?