Электромагнитная индукция
Магнитный поток
Один ученый физик Майкл Фарадей все ломал голову над задачкой. Его коллеги уже доказали, что электрический ток может создать магнитное поле. Но работает ли это наоборот, еще никто не знал.
Чтобы мы тоже разобрались, как все работает, добавим несколько новых понятий.
Магнитный поток Ф — величина, равная произведению модуля вектора магнитной индукции B на площадь S и косинус угла α между векторами B и n.
Ф= BS cosα
Очень интересно, хотелось бы еще понятно. Начнем с того, что магнитный поток очень похож на поток воды. Стоишь ты утром в ванной, умываешься, зубы чистишь под журчание воды из-под крана. А кран имеет определенную форму и размер того места, откуда вода течет — это будет наша площадка S.
Потом ты можешь поиграть с напором: заставить воду еле капать, или на всю мощь открыть кран, главное пол не залить, мама расстроится. Сила вытекания воды будет аналогична количеству магнитных линий, проходящих через площадку-кран.
Вектор магнитной индукции В — направление линий магнитного поля. Его величина показывает, насколько сильное магнитное поле проходит через площадку, то есть как много линий в нашу область попало.
Ну и последнее осталось — какой-то угол между непойми чем. Тут уже проще взять поливалку из душа.
Пусть твоя ладонь станет нашей новой площадкой S. В зависимости от того, как ты засунуешь руку под струи воды, их попадёт на нее больше или меньше.
Смотри: если ты поставишь руку перпендикулярно потоку, то захватишь максимальное количество струек. Повернешь немного кисть — попадёт уже меньше воды, часть польется мимо ладони в ванну. Ну и мы же не опаздываем в школу, можно продолжить эксперимент. Поставим руку поперек потока воды — так на ладонь почти ничего не попадёт, хоть и пальцы точно намокнут.
Поэтому, чтобы всегда понимать сколько магнитного потока пройдёт через площадку, считают угол от нормали (перпендикулярно к плоскости, в которой находится площадка) до направления вектора магнитной индукции. В нашем примере нормаль будет выходить из ладони, и нужный угол будет между ней и направлением водяных струек.
Как новую физическую величину, магнитный поток измеряют в своей величине измерения — веберах.
1 Вб (вебер) — магнитный поток, который создает поле индукцией 1 Тл через поверхность 1 м2, которая перпендикулярна вектору магнитной индукции.
Магнитная индукция
Теперь определим магнитную индукцию.
Явление магнитной индукции — возникновение электрического тока в проводящем контуре, который либо покоится в переменном магнитном поле, либо двигается в постоянном поле.
Индукция — слово загадочное. Как заклинание из Гарри Поттера. Но мы пытаемся магию вне Хогвартса не использовать, поэтому давай разберемся, что это значит.
Индукция показывает, что в результате воздействия что-то появляется. Посмотрим, как это работает. Например, договорились с тобой друзья позапускать кораблики. Вместе сделали целую флотилию и пошли пробовать. Пусть каждый кораблик будет проводящим контуром. Будет он плыть или нет, определит место, где твоя компания решит их запускать. В нашей теме влиять на контур будет магнитное поле и его изменение.
Если это будет неподвижная лужа, то как угодно опускай в воду кораблик — он будет стоять на месте. Стоит на него подуть, и вуаля! Поплывет, еще и другие кораблики обгонит. Как видишь, тут мы перемещаем контур в неподвижном «поле».
Если тебе с ребятами совсем повезло, найдется ручей, где тоже можно сплавить свои оригами. Кораблик опуститься в движущийся поток воды и весело побежит по ее волнам. Также появится индукционный ток, когда контур попадает в переменное магнитное поле.
Значит, пришла пора подвигаться. Движение не только жизнь по словам физрука, но и причина появления магнитной индукции.
Подвигать мы можем две вещи: магнит и контур — какую-то замкнутую проводящую площадку.
Чтобы появилась магнитная индукция в проводнике, необходимы перемены:
- изменение магнитного поля — движение магнита относительно контура;
- изменение размеров контура, а конкретно его площади;
- движение самого контура в постоянном магнитном поле.
Закон электромагнитной индукции Фарадея
К секрету электромагнитной индукции Фарадей шел 10 лет. Представляешь, ему потребовалось почти столько же времени, сколько тебе в школе приходится учиться.
Фарадей проводил очень много опытов. Один магнит подключал к другому, разные колечки из проволоки крутил, чтобы намагнитить их, но ничего не получалось найти, чтобы его предположение проверить. Потом он выяснил, что наблюдений мало, надо участвовать в эксперименте самому. Подвигал катушки и магниты — приборы зафиксировали ток.
Когда физик провел все возможные опыты, он сформулировал закон электромагнитной индукции:
Электродвижущая сила индукции в замкнутом контуре равна по модулю скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром:
εi=−ΔФ/Δt,
εi — электродвижущая сила индукции;
ΔФ — изменение магнитного потока;
Δt — промежуток времени, когда изменялся поток.
Стало страшно? Сейчас со всем разберемся.
ЭДС или электродвижущая сила — причина возникновения индукционного тока в цепи. Индукционного — это того самого, от магнитного поля получившегося.
Фарадей предложил, а остальные поддержали, что будет удобно сразу обозначить конкретно вещь, которая связывает магнитное поле и ток, который из-за него получается. Так и появилась ЭДС.
Мы можем придумать ей аналогию в жизни. Есть у нас поле притяжения компьютера с кучей классных игр, а есть контур в виде нас, которым еще в физике надо разобраться для контрольной. И быстро справится с уроками, получить движение мозгов и рук, чтобы все решить, нам поможет похожая сила — игродвижущая.
Важно! Закон опирается именно на ЭДС, а не на силу индукционного тока, потому что последняя зависит от параметров проводника (контура), а ЭДС определяется только изменениями магнитного поля.
Правило Ленца
Над простым описанием появления магнитной индукции и тока в контуре много работал русский физик Э.Х. Ленц.
Правило Ленца: возникающий в замкнутом контуре индукционный ток своим магнитным полем противодействует тому изменению магнитного потока, которым он вызван.
Для того, чтобы понять, как это работает, нам даже в электричество лезть не придется.
Котики. Все знают, как странно они умеют себя вести. Индукционный ток похоже вдохновлялся.
Ближе к сути. Когда котику надо выйти, он сделает все, чтобы мы бросили учить свою физику и открыли ему дверь. Но что будет дальше? Он просто встанет и никуда не пойдет. Будет ждать, пока кончится твое терпение, и ты закроешь дверь. Только тогда ему снова захочется наружу.
Так же ведет себя индукционный ток. Когда магнитное поле вокруг контура увеличивается, ток контура пытается с этим бороться, отталкиваться, уменьшать это действие. Если мы начнем убавлять поле, выйдет наоборот — контур потянется вслед за магнитом, чтобы захватить себе еще немного поля.
Когда мы пытаемся вставить магнит в контур катушки, в ней появляется индукционный ток, магнитное поле которого начинает мешать магниту и отталкивать его. Когда мы начинаем вынимать магнит, индукционный ток и его магнитное поле меняют свое направление и пытаются вернуть магнит, притянуть его.
Держи план по использованию правила Ленца, чтобы узнать направление индукционного тока:
- определяем, куда направлены линии магнитной индукции от магнита (нашего внешнего магнитного поля);
- смотрим, как меняется магнитный поток — растет или уменьшается;
- определяем как будет направлено магнитное поле от контура (оно появится из-за индукционного тока):
- если внешний поток уменьшается, то линии магнитной индукции будут смотреть в ту же сторону;
- если внешний поток увеличивается, то линии будут направлены противоположно;
- по известному направлению магнитного поля контура определить куда течет индукционный ток по правилу буравчика.
Напоминалка: правило буравчика или правило правой руки помогает определить направление магнитного поля при известном направлении тока, но может работать и наоборот. Если направление поступательного движения буравчика (винта) совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением вектора магнитной индукции поля, создаваемого этим током.
Подведем итог
- магнитный поток показывает, сколько линий магнитной индукции проходит через контур известной площади;
- явление электромагнитной индукции появляется в результате изменений:
- магнитного потока при неподвижном контуре;
- площади контура;
- положения контура (движения) контура в постоянном магнитном поле;
- закон электромагнитной индукции показывает, что появляется что-то, что препятствует изменениям магнитного потока;
- ЭДС — тот фактор, который мешает действующему на контур магнитному полю;
- правило Ленца позволяет определить направление индукционного тока, если мы знаем как меняется поток и как направлено магнитное поле.
Проверь себя
ЭДС расшифровывается как:
а) электродвижущая сила;
б) электродинамическая сила;
в) энергодвижущая скорость.
О чем говорит закон электромагнитной индукции?
а) о появлении какого-либо магнитного поля в результате действия индукционного тока;
б) о появлении некоторой силы, которая равна изменению магнитного потока через поверхность за интервал времени;
в) о появлении индукционного тока за интервал времени в результате действия постоянного магнитного поля.
Правило Ленца помогает определить:
а) силу магнитного поля;
б) направление индукционного тока;
в) уровень магнитного поля, индуцированного контуром.