Если присоединить катушку, в которой возникает индукционный ток, к гальванометру, можно обнаружить, что направление этого тока зависит от того, приближается ли магнит к катушке, или удаляется от нее. Причем возникающий индукционный ток взаимодействует с магнитом — притягивает или отталкивает его.
Катушка с протекающей по ней током подобна магниту с двумя полюсами — северным и южным. Направление индукционного тока определяет, какой конец катушки играет роль северного полюса, из которого выходят линии магнитной индукции. В каких случаях катушка будет притягивать магнит, а в каких отталкивать, можно предсказать, опираясь на закон сохранения энергии.
Взаимодействие индукционного тока с магнитом
Если магнит приближать к катушке, то в ней появится индукционный ток такого направления, что магнит обязательно отталкивается. Для сближения магнита и катушки при этом нужно совершить положительную работу. Катушка становится подобной магниту, обращенному одноименным полюсом к приближающемуся к ней магниту. Одноименные же полюсы отталкиваются. При удалении магнита, наоборот, в катушке возникает ток такого направления, чтобы появилась притягивающая магнит сила.
Представьте, что все было бы иначе. Тогда при введении магнита в катушку он сам бы устремлялся в нее. Это противоречит закону сохранения энергии, так как при этом увеличилась бы кинетическая энергия при одновременном возникновении индукционного тока, который также затрачивает часть энергии. Кинетическая энергия и энергия тока в этом случае возникали бы из ничего, без затрат энергии, что невозможно.
Справедливость вывода можно подтвердить с помощью следующего опыта. Пусть на свободно вращающемся стержне закреплены два алюминиевых кольца: с разрезом и без разреза. Если поднести магнит к кольцу без разреза, оно будет отталкиваться. Если поднести его к кольцу с разрезом, ничего не произойдет. Это связано с тем, что в нем не возникает индукционный ток. Этому препятствует разрез. Но если отдалять магнит от кольца без разреза, то оно начнет притягиваться.
Опыты показывают, что притягивание или отталкивание кольца с индукционным током зависит от того, удаляется магнит, или притягивается. А различаются они характером изменения линий магнитной индукции, пронизывающих поверхность, ограниченную кольцом. В первом случае (рис. а) магнитный поток увеличивается, во втором (рис. б) — уменьшается. То же самое можно наблюдать в опытах с магнитом и проводящей катушкой.
Причем в первом случае линии индукции B’ магнитного поля, созданного возникшем в катушке индукционным током, выходят из верхнего конца катушки, та как катушка отталкивает магнит. Во втором же случае напротив, они входят в этот конец.
Правило Ленца
Описанные выше опыты позволяют делать вывод, что при увеличении магнитного потока через витки катушки индукционный ток имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле препятствует нарастанию магнитного потока через витки катушки. Если же магнитный поток через катушку ослабевает, то индукционный ток создает магнитное поле с такой индукцией, которая увеличивает магнитный поток через витки катушки.
Правило направления индукционного тока носит название правила Ленца.
Правило Ленца
Возникающий в замкнутом контуре индукционный ток своим магнитным полем противодействует тому изменению магнитного потока, которым он вызван.
Применять правило Ленца для нахождения направления индукционного тока Ii в контуре надо так:
- Установить направление линий магнитной индукции →B внешнего магнитного поля.
- Выяснить, увеличивается ли поток магнитной индукции этого поля через поверхность, ограниченную контуром (ΔΦ>0), или уменьшается (ΔΦ<0).
- Установить направление линий магнитной индукции →B‘ магнитного поля индукционного тока Ii. Эти линии должны быть согласно правилу Ленца направлены противоположно линиям →B при ΔΦ>0 и иметь одинаковое с ними направление при ΔΦ<0.
- Зная направление линий магнитной индукции →B‘, найти направление индукционного тока Ii, пользуясь правилом правой руки.
Пример №1. Найти направление индукционного тока, возникающего в кольце во время приближения к нему магнита (см. рисунок).
Линии магнитной индукции магнита обращены в сторону кольца, так как он направлен к нему северным полюсом. Так как магнит приближается к кольцу, магнитный поток увеличивается. Следовательно, кольцо отталкивается. Тогда оно обращено к магниту одноименным — северным — полюсом. Применим правило правой руки. Так как линии магнитной индукции выходят из северного полюса, направим к нему большой палец. Теперь четыре пальца руки покажут направление индукционного тока. В нашем случае он будет направлен против направления хода часовой стрелки.
Задание EF17577
Медное кольцо на горизонтальном коромысле поворачивается вокруг вертикальной оси ОВ под действием движущегося магнита С. Установите соответствие между направлением движения магнита, вращением коромысла с кольцом и направлением индукционного тока в кольце.
К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго столбца и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.
| МАГНИТ | ПОВОРОТ КОРОМЫСЛА И ТОК В КОЛЬЦЕ | ||
| А) | движется по направлению к кольцу, северный полюс обращён к кольцу | 1) | коромысло с кольцом поворачивается, отталкиваясь от магнита, ток идёт по часовой стрелке |
| Б) | движется к кольцу, к кольцу обращён южный полюс |
2) | коромысло с кольцом поворачивается, отталкиваясь от магнита, ток идёт против часовой стрелки |
| 3) | коромысло с кольцом поворачивается, притягиваясь к магниту, ток идёт по часовой стрелке | ||
| 4) | коромысло с кольцом поворачивается, притягиваясь к магниту, ток идёт против часовой стрелки |
Алгоритм решения
- Записать правило Ленца.
- В соответствии с правилом Ленца установить, что произойдет, если к кольцу поднести магнит северным полюсом.
- В соответствии с правилом Ленца установить, что произойдет, если к кольцу поднести магнит южным полюсом.
Решение
Запишем правило Ленца:
Возникающий в замкнутом контуре индукционный ток своим магнитным полем противодействует тому изменению магнитного потока, которым он вызван.
Следовательно, если поднести к кольцу магнит северным полюсом, линии магнитной индукции поля, образованного магнитом, будут направлены в сторону кольца (т.к. они выходят из северного полюса). Тогда в кольце образуется такой ток, при котором с той стороны, с которой подносят магнит, тоже сформируется северный полюс. Используем правило правой руки и расположим большой палец правой руки так, чтобы он указывал в сторону северного полюса кольца с индукционным током. Тогда четыре пальца покажут направление этого тока. Следовательно, индукционный ток направлен по часовой стрелке.
Если поднести к кольцу магнит южным полюсом, линии магнитной индукции поля, образованного магнитом, будут направлены в сторону от кольца (т.к. они выходят из северного полюса). Тогда в кольце образуется такой ток, при котором с той стороны, с которой подносят магнит, тоже сформируется южный полюс. Используем правило правой руки и получим, что в этом случае индукционный ток будет направлен против часовой стрелки.
Так как магнит подносят к кольцу, а не отодвигают от него, то кольцо всегда будет отталкиваться, поскольку в нем возникают силы противодействия. Следовательно, позиции А соответствует строка 1, а позиции Б — строка 2.
Ответ: 12
pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор
Задание EF18621
На рисунке запечатлён тот момент демонстрации по проверке правила Ленца, когда все предметы неподвижны. Южный полюс магнита находится вблизи сплошного металлического кольца. Если магнит выдвигать из алюминиевого кольца, то кольцо перемещается вслед за магнитом. Это движение кольца – результат действия
Ответ:
а) силы гравитационного взаимодействия между кольцом и магнитом
б) силы Ампера, действующей со стороны магнитного поля магнита на кольцо, по которому идёт индукционный ток
в) кулоновских (электростатических) сил, которые возникают при движении магнита относительно кольца
г) воздушных потоков, вызванных движением руки и магнита
Алгоритм решения
- Проанализировать предложенные варианты ответа.
- Установить природу взаимодействия магнита и кольца.
- Выбрать верный ответ.
Решение
Гравитационные силы между магнитом и кольцом ничтожно малы при данных массах и расстояниях, поэтому они не могли вызвать притяжения кольца к магниту.
Кулоновские силы характеризуют силу электростатического взаимодействия зарядов. Поскольку магнит не имеет заряда, между ним и кольцом такие силы не возникают.
Металлическое кольцо достаточно тяжелое для того, чтобы заставить его стремительно двигаться вслед за магнитом.
Но вариант с силой Ампера подходит, так как сила Ампера — это сила, с которой действует магнитное поле на проводник с током. В момент, когда магнит двигают в стороны от кольца, магнитный поток, пронизывающий его, меняется. Это вызывает образование в кольце индукционного тока, который также порождает магнитное поле, противодействующее магнитному полю постоянного магнита.
Ответ: б
pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор
Задание EF19032
Катушка №1 включена в электрическую цепь, состоящую из источника напряжения и реостата. Катушка № 2 помещена внутрь катушки № 1 и замкнута (см. рисунок).
Из приведённого ниже списка выберите два правильных утверждения, характеризующих процессы в цепи и катушках при перемещении ползунка реостата вправо.
Ответ:
А) Сила тока в катушке № 1 увеличивается.
Б) Вектор индукции магнитного поля, созданного катушкой № 1, всюду увеличивается.
В) Магнитный поток, пронизывающий катушку № 2, увеличивается.
Г) Вектор индукции магнитного поля, созданного катушкой № 2, в центре этой катушки направлен от наблюдателя.
Д) В катушке № 2 индукционный ток направлен по часовой стрелке.
Алгоритм решения
- Проверить истинность каждого утверждения.
- Выбрать только истинные утверждения.
Решение
Согласно утверждению А, при перемещении ползунка реостата вправо сила тока в катушке №1 увеличивается. Перемещая ползунок реостата вправо, мы увеличиваем сопротивление. Следовательно, сила тока уменьшается. Утверждение А — неверно.
Согласно утверждению Б, при перемещении ползунка реостата вправо вектор индукции магнитного поля, созданного катушкой №1, всюду увеличивается. Так как сила тока уменьшается, вектор индукции магнитного поля ослабевает. Утверждение Б — неверно.
Согласно утверждению В, при перемещении ползунка реостата вправо магнитный поток, пронизывающий катушку №2, увеличивается. Так как магнитное поле ослабевает, будет уменьшаться и магнитный поток, пронизывающий катушку № 2. Утверждение В — неверно.
Согласно утверждению Г, при перемещении ползунка реостата вправо вектор индукции магнитного поля, созданного катушкой №2, в центре этой катушки направлен от наблюдателя. В катушке №1 ток течёт по часовой стрелке, и по правилу буравчика эта катушка будет создавать магнитное поле, направленное от наблюдателя. В силу того, что сила тока в цепи уменьшается, будет уменьшаться и магнитный поток, пронизывающий вторую катушку. При этом согласно правилу Ленца во второй катушке будет создаваться индукционный ток, который направлен так, чтобы своим магнитным полем противодействовать изменению магнитного потока, которым он вызван. В этом случае вектор индукции магнитного поля, созданного катушкой №2, в центре этой катушки сонаправлен с внешним полем и направлен от наблюдателя. Утверждение Г — верно.
Согласно утверждению Д, при перемещении ползунка реостата вправо в катушке №2 индукционный ток направлен по часовой стрелке. По правилу правой руки, индукционный ток в катушке 2 направлен по часовой стрелке. Утверждение Д — верно.
Ответ: ГД
pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор
Алиса Никитина | Просмотров: 7.9k
Магнитное поле представляет собой особую форму материи, которая существует вокруг движущихся электрических зарядов, или электрических токов. Если внести магнитную стрелку в магнитное поле, то мы увидим, что она будет ориентироваться в нём.
В магнитном поле вокруг проводника с током магнитные стрелки и мелкие железные опилки расположатся по концентрическим окружностям вдоль линий магнитного поля. При этом если направление тока в проводнике изменить на противоположное, то все стрелки повернутся на (180°).
Рисунок (1). Действие магнитного поля проводника с током на магнитную стрелку
Рисунок (2). Правило буравчика
С помощью правила буравчика (правого винта) по направлению тока можно определить направление линий магнитного поля, а по направлению линий магнитного поля — направление тока.
Рисунок (3). Направление тока и направление линий его магнитного поля
Для определения направления линий магнитного поля соленоида применяют правило правой руки.
Если направления четырех пальцев правой руки совпадают с направлением тока в витках соленоида, то направление большого пальца совпадает с направлением линий магнитной индукции внутри соленоида.
Соленоид подобен магниту, когда по нему протекает электрический ток. Также как и магнит, соленоид имеет полюсы: северный и южный. Северным полюсом является тот конец соленоида, из которого выходят магнитные линии. В данном случае северным полюсом является левый конец. Значит, правый конец будет южным полюсом.
Таким образом, используя правило правой руки, можно определить магнитные полюсы соленоида, если известно направление тока в его витках. И наоборот, если известны полюсы, то можно определить направление тока.
Источники:
http://school-collection.edu.ru/, Единая коллекции цифровых образовательных ресурсов.
Изображения:
Рисунок 1. Действие магнитного поля проводника с током на магнитную стрелку.
https://ds04.infourok.ru/uploads/ex/08fa/0018ad91-29af6560/hello_html_mec6ce57.gif
https://slide-share.ru/napravlenie-toka-i-linij-ego-magnitnogo-polya-pravilo-buravchikaissledovaniya-1638
В помощь изучающему электронику
Данный справочник собран из разных источников. Но на его создание подтолкнула небольшая книжка «Массовой радиобиблиотеки» изданная в 1964 году, как перевод книги О. Кронегера в ГДР в 1061 году. Не смотря на такую ее древность, она является моей настольной книгой (наряду с несколькими другими справочниками). Думаю время над такими книгами не властно, потому что основы физики, электро и радиотехники (электроники) незыблемы и вечны.
l— длина магнитной линии, см;
μ — абсолютная магнитная проницаемость, гн/см;
q — площадь поперечного сечения магнитного потока, см 2 .
В настоящее время в технике принята величина, обратная .Rк, — так называемый „коэффициент индуктивности витка».
Оглавление.
Основные понятия. Замкнутая и разветвленная цепи постоянного тока
Основные понятия, Сопротивление в цепи переменного тока , Конденсатор в цепи переменного тока, Индуктивность в цепи переменного тока, Мощность переменного тока
Основные зависимости, Последовательный колебательный контур, Параллельный колебательный контур
Входная цепь приемника
RC и LC фильтры — общие положения, RC фильтры, LC фильтры
Аттенюаторы, Согласование источника с нагрузкой по мощности, току и напряжению
Основные параметры передающих антенн, Параметры приемных антенн, Вибраторные антенны, Рамочные антенны, Приемные ферритовые антенны, Формулы для расчета вибраторных антенн
РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН В СВОБОДНОМ ПРОСТРАНСТВЕ — Общие положения, ИОНОСФЕРА И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН, Преломление и отражение радиоволн в ионосфере, Особенности распространения сверхдлинных и длинных волн, Особенности распространения средних волн, Особенности распространения коротких волн, РАСПРОСТРАНЕНИЕ УЛЬТРАКОРОТКИХ ВОЛН В ПРИЗЕМНОМ ПРОСТРАНСТВЕ, Распространения радиоволн над поверхностью земли, дальний прием
Катушка индуктивности в цепях переменного тока — формулы и определение с примерами
До сих пор рассматривались электрические цепи, содержащие в различных сочетаниях резисторы, конденсаторы и катушки, с источником постоянного тока либо без него. Теперь рассмотрим подключение таких цепей к источнику переменного тока.
Пусть источник тока создает переменное гармоническое напряжение (рис. 194) 
Согласно закону Ома сила тока на участке цепи, содержащем только резистор сопротивлением R, подключенный к этому источнику, изменяется со временем также по синусоидальному закону: 
где 
— амплитудное значение силы тока в цепи.
Как видно, сила тока в такой цепи также меняется с течением времени по синусоидальному закону.
Величины 
называются амплитудными значениями напряжения и силы тока. Значения напряжения U(t) и силы тока I(t), зависящие от времени, называют мгновенными.
Зная мгновенные значения U(t) и I(t), можно вычислить мгновенную мощность 
которая, в отличие от цепей постоянного тока, изменяется с течением времени.
С учетом зависимости силы тока от времени в цепи перепишем выражение для мгновенной тепловой мощности на резисторе в виде 
Поскольку мгновенная мощность меняется со временем, то использовать эту величину в качестве характеристики длительно протекающих процессов на практике крайне неудобно.
Перепишем формулу для мощности по-другому: 
Первое слагаемое не зависит от времени. Второе слагаемое — переменная составляющая — функция косинуса двойного угла и ее среднее значение за период колебаний равно нулю (см. рис. 194).
Поэтому среднее значение мощности переменного электрического тока за длительный промежуток времени можно найти по формуле 
Это выражение позволяет ввести действующие (эффективные) значения силы тока и напряжения, которые используются в качестве основных характеристик переменного тока.
Действующим (эффективным) значением силы переменного тока называется сила такого постоянного тока, который, проходя по цепи, выделяет в единицу времени такое же количество теплоты, что и данный переменный ток.
Поскольку для постоянного тока 
то с учетом ранее полученного выражения для среднего значения мощности переменного тока действующее значение силы тока
Аналогично можно ввести действующее значение и для напряжения 
Таким образом, выражения для расчета мощности, потребляемой в цепях постоянного тока, остаются справедливыми и для переменного тока, если использовать в них действующие значения силы тока и напряжения: 
Необходимо отметить, что закон Ома для цепи переменного тока, содержащей только резистор сопротивлением R, выполняется как для амплитудных и действующих, так и для мгновенных значений напряжения и силы тока, вследствие того, что их колебания совпадают по фазе (см. рис. 194).
Таким образом, резисторы оказывают сопротивление как постоянному, так и переменному току, при этом в обоих случаях в них происходит превращение электрической энергии во внутреннюю. Вследствие этого сопротивление резисторов R получило название активного или омического сопротивления.
Катушка индуктивности в цепях переменного тока
Реальный соленоид (катушка индуктивности) обладает активным сопротивлением R и индуктивностью L. В цепях постоянного тока главную роль играет его сопротивление R, тогда как в цепях переменного тока — его индуктивность L.
Рассмотрим физические процессы, происходящие в идеальной катушке, у которой отсутствует активное сопротивление (R=0), при включении ее в цепь переменного тока.
В катушке индуктивностью L переменный ток 
вызывает появление ЭДС самоиндукции: 
где 
— амплитудное значение ЭДС самоиндукции (рис. 195).
При возрастании силы тока ЭДС самоиндукции согласно правилу Ленца будет препятствовать его увеличению. Для идеальной катушки, активное сопротивление которой равно нулю (R=0), согласно закону Ома для полной цепи 
где U(t) напряжение на концах катушки.
Следовательно, в любой момент времени внешнее напряжение на концах катушки равно по модулю и противоположно по знаку ЭДС самоиндукции в катушке: 
Сравнивая выражения для мгновенных значений силы тока I(t) и напряжения U(t), видим, что для их амплитудных значений можно записать закон Ома в виде 
Величину 
называют индуктивным сопротивлением катушки. Оно пропорционально индуктивности катушки и частоте переменного тока в цепи 
Обратите внимание на то, что фазы колебаний силы тока и напряжения не совпадают. Наличие сдвига фаз означает, что мгновенное значение напряжения U на катушке индуктивности опережает мгновенное значение силы I переменного тока по фазе на 
Такой сдвиг фаз между колебаниями силы тока и напряжения характерен в целом для цепей переменного тока, содержащих элементы, обладающие индуктивностью.
Закон Ома для цепи переменного тока, содержащей только катушку индуктивности, выполняется и для действующих значении силы тока 
и напряжения 
так как 
тогда 
Таким образом, если в цепь переменного тока включена катушка индуктивности, то закон Ома выполняется для амплитудных и действующих значений силы тока и напряжения, но не выполняется для их мгновенных значений, так как мгновенные значения силы тока и напряжения не совпадают по фазе (см. рис. 195).
Мгновенная мощность, потребляемая катушкой индуктивности от источника переменного тока, определяется по формуле 
Поскольку среднее за период значение функции 
равно нулю, то и средняя мощность за период также равна нулю: 
Как видно из рисунка 195, цепь с идеальной катушкой индуктивности в течение первой и третьей четвертей периода работает в режиме потребителя, запасая энергию магнитного поля 
в катушке, а в течение второй и четвертой — в режиме генератора, возвращая источнику запасенную энергию.
Поскольку потерь энергии в этом случае не происходит, то индуктивное сопротивление называют реактивным.
При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org
Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи
Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей
Telegram и логотип telegram являются товарными знаками корпорации Telegram FZ-LLC.
Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.
Катушки индуктивности и магнитные поля
После рассказа о применении конденсаторов логично было бы рассказать еще об одном представителе пассивных радиоэлементов – катушках индуктивности. Но рассказ о них придется начать издалека, вспомнить о существовании магнитного поля, ведь именно магнитное поле окружает и пронизывает катушки, именно в магнитном поле, чаще всего переменном, катушки и работают. Короче, это их среда обитания.
Магнетизм, как свойство вещества
Магнетизм является одним из важнейших свойств вещества, так же как, например, масса или электрическое поле. Явления магнетизма, впрочем, как и электричества, были известны давно, вот только тогдашняя наука не могла объяснить сути этих явлений. Непонятное явление получило название «магнетизм» по имени города Магнезия, что был когда-то в Малой Азии. Именно из руды, добываемой поблизости, и получались постоянные магниты.
Но постоянные магниты в рамках данной статьи не особо интересны. Коль скоро было обещано рассказать о катушках индуктивности, то речь пойдет, скорее всего, об электромагнетизме, ведь далеко не секрет, что даже вокруг провода с током существует магнитное поле.
В современных условиях исследовать явление магнетизма на начальном, хотя бы уровне, достаточно легко. Для этого надо собрать простейшую электрическую цепь из батарейки и лампочки для карманного фонаря. В качестве индикатора магнитного поля, его направления и напряженности можно воспользоваться обычным компасом.
Магнитное поле постоянного тока
Как известно, компас показывает направление на Север. Если поблизости расположить провода упомянутой выше простейшей схемы, и включить лампочку, то стрелка компаса несколько отклонится от своего нормального положения.
Подключив параллельно еще одну лампочку можно удвоить ток в цепи, отчего угол поворота стрелки несколько увеличится. Это говорит о том, что магнитное поле провода с током стало больше. Именно на таком принципе работают стрелочные измерительные приборы.
Если полярность включения батарейки изменить на обратную, то и стрелка компаса повернется другим концом — направление магнитного поля в проводах также изменилось по направлению. Когда схема будет отключена, стрелка компаса вновь вернется в свое законное положение. Нет тока в катушке, нет и магнитного поля.
Во всех этих опытах компас играет роль пробной магнитной стрелки, подобно тому, как исследование постоянного электрического поля производится пробным электрическим зарядом.
На основе таких простейших опытов можно сделать заключение, что магнетизм появляется на свет благодаря электрическому току: чем этот ток сильней, тем сильнее магнитные свойства проводника. А откуда же тогда берется магнитное поле у постоянных магнитов, ведь к ним батарейку с проводами никто не подключал?
Фундаментальными научными исследованиями доказано, что и постоянный магнетизм основан на электрических явлениях: каждый электрон находится в собственном электрическом поле и обладает элементарными магнитными свойствами. Только в большинстве веществ эти свойства взаимно нейтрализуются, а у некоторых почему-то складываются в один большой магнит.
Конечно, на самом деле все не так примитивно и просто, но, в общем, даже постоянные магниты имеют свои чудесные свойства за счет движения электрических зарядов.
А какие они магнитные линии?
Магнитные линии можно увидеть визуально. В школьном опыте на уроках физики для этого на лист картона насыпаются металлические опилки, а внизу помещается постоянный магнит. Слегка постукивая по листу картона можно добиться картинки, показанной на рисунке 1.
Нетрудно видеть, что магнитные силовые линии выходят из северного полюса и входят в южный, при этом не разрываясь. Конечно, можно сказать, что как раз, наоборот, из южного в северный, но так уж принято, поэтому из северного в южный. Точно так же, как когда-то приняли направление тока от плюса к минусу.
Если вместо постоянного магнита сквозь картонку пропустить провод с током, то металлические опилки покажут его, проводника, магнитное поле. Это магнитное поле имеет вид концентрических круговых линий.
Для исследования магнитного поля можно обойтись и без опилок. Достаточно вокруг проводника с током перемещать пробную магнитную стрелку, чтобы увидеть, что силовые магнитные линии и впрямь представляют собой замкнутые концентрические окружности. Если перемещать пробную стрелку в сторону, куда ее отклоняет магнитное поле, то непременно вернемся в ту же точку, откуда начали движение. Аналогично, как пешком вокруг Земли: если идти никуда не сворачивая, то рано или поздно придешь на то же место.
Правило буравчика
Направление магнитного поля проводника с током определяется по правилу буравчика, — инструмента для сверления отверстий в дереве. Тут все очень просто: буравчик надо вращать так, чтобы его поступательное движение совпадало с направлением тока в проводе, тогда направление вращения рукоятки покажет, куда направлено магнитное поле.
«Ток идет от нас» — крестик в середине круга это оперение стрелы, летящей за плоскость рисунка, а где «Ток идет к нам», показан наконечник стрелы, летящей из-за плоскости листа. По крайней мере, такое объяснение этих обозначений давалось на уроках физики в школе.
Взаимодействие магнитных полей двух проводников с током
Если к каждому проводнику применить правило буравчика, то определив направление магнитного поля в каждом проводнике, можно с уверенностью сказать, что проводники с одинаковым направлением тока притягиваются, а их магнитное поля складываются. Проводники с токами разного направления взаимно отталкиваются, магнитное их поле компенсируется.
Катушка индуктивности
Если проводник с током выполнить в виде кольца (витка), то у него появляются свои магнитные полюса, северный и южный. Но магнитное поле одного витка, как правило, невелико. Гораздо лучших результатов можно добиться, намотав провод в виде катушки. Такую деталь называют катушкой индуктивности или просто индуктивностью. В этом случае магнитные поля отдельных витков складываются, взаимно усиливая друг друга.
На рисунке 5 показано, каким образом можно получить сумму магнитных полей катушки. Вроде бы можно запитать каждый виток от своего источника, как показано на рис. 5.2, но проще соединить витки последовательно (просто намотать одним проводом).
Совершенно очевидно, что чем большее количество витков у катушки, тем сильнее ее магнитное поле. Также магнитное поле зависит и от тока через катушку. Поэтому вполне правомерно оценивать способность катушки создавать магнитное поле просто умножив ток через катушку (А) на количество витков (W). Такая величина так и называется ампер – витки.
Катушка с сердечником
Магнитное поле, создаваемое катушкой, можно значительно увеличить, если внутрь катушки ввести сердечник из ферромагнитного материала. На рисунке 6 показана таблица с относительной магнитной проницаемостью различных веществ.
Например, трансформаторная сталь позволит сделать магнитное поле примерно в 7..7,5 тысяч раз сильней, чем при отсутствии сердечника. Другими словами, внутри сердечника магнитное поле будет вращать магнитную стрелку в 7000 раз сильнее (такое можно только представить мысленно).
В верхней части таблицы разместились парамагнитные и диамагнитные вещества. Относительная магнитная проницаемость µ указана относительно вакуума. Следовательно, парамагнитные вещества немного усиливают магнитное поле, а диамагнитные чуть-чуть ослабляют. В общем, особого влияния на магнитное поле эти вещества не оказывают. Хотя, на высоких частотах для настройки контуров иногда применяются латунные или алюминиевые сердечники.
В нижней части таблицы разместились ферромагнитные вещества, которые значительно усиливают магнитное поле катушки с током. Так, например, сердечник из трансформаторной стали сделает магнитное поле сильнее ровно в 7500 раз.
Чем и как измерить магнитное поле
Когда понадобились единицы для измерения электрических величин, то в качестве эталона взяли заряд электрона. Из заряда электрона была сформирована вполне реальная и даже ощутимая единица – кулон, а на ее основе все оказалось просто: ампер, вольт, ом, джоуль, ватт, фарада.
А что можно взять в качестве отправной точки для измерения магнитных полей? Каким-то образом привязать к магнитному полю электрона весьма проблематично. Поэтому в качестве единицы измерения в магнетизме принят проводник, по которому протекает постоянный ток в 1 А.
Характеристики магнитного поля
Основной такой характеристикой является напряженность (H). Она показывает, с какой силой действует магнитное поле на упомянутый выше пробный проводник, если дело происходит в вакууме. Вакуум предназначается для исключения влияния среды, поэтому эту характеристику – напряженность считают абсолютно чистой. За единицу напряженности принят ампер на метр (а/м). Такая напряженность появляется на расстоянии 16см от проводника, по которому идет ток 1А.
Напряженность поля говорит лишь о теоретической способности магнитного поля. Реальную же способность к действию отражает другая величина магнитная индукция (B). Именно она показывает реальную силу, с которой магнитное поле действует на проводник с током в 1А.
Если в проводнике длиной 1м протекает ток 1А, и он выталкивается (притягивается) с силой 1Н (102Г), то говорят, что величина магнитной индукции в данной точке ровно 1 тесла.
Магнитная индукция величина векторная, кроме численного значения она имеет еще и направление, которое всегда совпадает с направлением пробной магнитной стрелки в исследуемом магнитном поле.
Единицей магнитной индукции является тесла (ТЛ), хотя на практике часто пользуются более мелкой единицей Гаусс: 1ТЛ = 10 000Гс. Много это или мало? Магнитное поле вблизи мощного магнита может достигать нескольких Тл, около магнитной стрелки компаса не более 100Гс, магнитное поле Земли вблизи поверхности примерно 0,01Гс и даже ниже.
Магнитный поток
Вектор магнитной индукции B характеризует магнитное поле лишь в одной точке пространства. Чтобы оценить действие магнитного поля в некотором пространстве вводится еще такое понятие, как магнитный поток (Φ).
По сути дела он представляет собой количество линий магнитной индукции, проходящих через данное пространство, через какую-то площадь: Φ=B*S*cosα. Эту картину можно представить в виде дождевых капель: одна линия это одна капля (B), а все вместе это магнитный поток Φ. Именно так в общий поток соединяются силовые магнитные линии отдельных витков катушки.
В системе СИ за единицу магнитного потока принят Вебер (Вб), такой поток возникает, когда индукция в 1 Тл действует на площади 1 кв.м.
Магнитная цепь
Магнитный поток в различных устройствах (двигатели, трансформаторы и т.п.), как правило, проходит определенным путем, называемым магнитной цепью или просто магнитопроводом. Если магнитная цепь замкнута (сердечник кольцевого трансформатора), то ее сопротивление невелико, магнитный поток проходит беспрепятственно, концентрируется внутри сердечника. На рисунке ниже показаны примеры катушек с замкнутым и разомкнутым магнитопроводами.
Сопротивление магнитной цепи
Но сердечник можно распилить и вытащить из него кусочек, сделать магнитный зазор. Это увеличит общее магнитное сопротивление цепи, следовательно, уменьшит магнитный поток, а в целом уменьшится индукция во всем сердечнике. Это все равно как в электрическую цепь последовательно запаять большое сопротивление.
Если получившийся зазор перекрыть куском стали, то получится, что параллельно зазору подключили дополнительный участок с меньшим магнитным сопротивлением, что и восстановит нарушенный магнитный поток. Это очень напоминает шунт в электрических цепях. Кстати, для магнитной цепи также существует закон, который называют законом Ома для магнитной цепи.
Через магнитный шунт пойдет основная часть магнитного потока. Именно это явление и используется в магнитной записи звуковых или видеосигналов: ферромагнитный слой ленты перекрывает зазор в сердечнике магнитных головок, и весь магнитный поток замыкается через ленту.
Направление магнитного потока, создаваемого катушкой, можно определить, воспользовавшись правилом правой руки: если четыре вытянутых пальца указывают направление тока в катушке, то большой палец покажет направление магнитных линий, как показано на рисунке 13.
Принято считать, что магнитные линии выходят из северного полюса и заходят в южный. Поэтому большой палец в данном случае указывает расположение южного полюса. Проверить так ли это, можно опять же с помощью стрелки компаса.
Как работает электродвигатель
Известно, что электричество может создавать свет и тепло, участвовать в электрохимических процессах. После знакомства с основами магнетизма можно рассказать о том, как работают электродвигатели.
Электродвигатели могут быть самой разной конструкции, мощности и принципа действия: например постоянного и переменного тока, шаговые или коллекторные. Но при всем многообразии конструкций принцип действия основан на взаимодействии магнитных полей ротора и статора.
Для получения этих магнитных полей по обмоткам пропускают ток. Чем больше ток, и чем выше магнитная индукция внешнего магнитного поля, тем мощнее двигатель. Для усиления этого поля используются магнитопроводы, поэтому в электрических двигателях так много стальных деталей. В некоторых моделях двигателей постоянного тока используются постоянные магниты.
Здесь, можно сказать, все понятно и просто: пропустили по проводу ток, получили магнитное поле. Взаимодействие с другим магнитным полем заставляет этот проводник двигаться, да еще и совершать механическую работу.
Направление вращения можно определить по правилу левой руки. Если четыре вытянутых пальца показывают направление тока в проводнике, а магнитные линии входят в ладонь, то отогнутый большой палец укажет направление выталкивания проводника в магнитном поле.
Направление индукционного тока. Правило Ленца
- Подробности
- Обновлено 21.07.2018 12:01
- Просмотров: 1376
«Физика — 11 класс»
Направление индукционного тока
Направление индукционного тока, возникающего в катушке, зависит от того, приближается магнит к катушке или удаляется от нее.
Возникающий индукционный ток может притягивать или отталкивать магнит, т.к. катушка становится подобной магниту с двумя полюсами — северным и южным.
На основе закона сохранения энергии можно предсказать, в каких случаях катушка будет притягивать магнит, а в каких отталкивать его.
Взаимодействие индукционного тока катушки с магнитом.
В чем состоит различие двух опытов: приближение магнита к катушке и его удаление?
Если магнит приближать к катушке
Число линий магнитной индукции, пронизывающих витки катушки, или, что то же самое, магнитный поток, увеличивается.
Катушка становится подобной магниту, обращенному одноименным полюсом к приближающемуся к ней магниту.
Линии индукции 
‘ магнитного поля, созданного возникшим в катушке индукционным током, выходят из верхнего конца катушки.
В катушке появляется индукционный ток такого направления, что магнит обязательно отталкивается.
Для сближения магнита и катушки нужно совершить положительную работу.
Если магнит удалять от катушки
Число линий магнитной индукции, пронизывающих витки катушки, или, что то же самое, магнитный поток, уменьшается.
Линии индукции ‘ магнитного поля, созданного возникшим в катушке индукционным током, входят в верхний конец катушки.
Катушка с током становится аналогична магниту, северный полюс которого находится снизу.
В катушке возникает ток такого направления, что проявляется притягивающая магнит сила.
Аналогично можно рассмотреть опыт, когда на концах стержня, который может свободно вращаться вокруг вертикальной оси, закреплены два проводящих алюминиевых кольца (одно из них с разрезом).
С разрезанным кольцом магнит не взаимодействует, так как разрез препятствует возникновению в кольце индукционного тока.
Отталкивает или притягивает другое кольцо магнит, зависит от направления индукционного тока, возникающего в кольце.
Поэтому закон сохранения энергии позволяет сформулировать правило, определяющее направление индукционного тока.
Правило Ленца
Существует правило, позволяющее определить направление индукционного тока, которое было установлено русским физиком Э. X. Ленцем:
Возникающий в замкнутом контуре индукционный ток своим магнитным полем противодействует тому изменению магнитного потока, которым он вызван.
или более кратко:
Индукционный ток направлен так, чтобы препятствовать причине, его вызывающей.
При увеличении магнитного потока через витки катушки индукционный ток имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле препятствует усилению магнитного потока через витки катушки.
Ведь линии индукции ‘ этого поля направлены против линий индукции поля, изменение которого порождает электрический ток.
Если же магнитный поток через катушку ослабевает, то индукционный ток создает магнитное поле с индукцией ‘ увеличивающее магнитный поток через витки катушки.
Применение правила Ленца:
1. Определить направление линий магнитной индукции внешнего магнитного поля.
2. Выяснить, увеличивается ли поток вектора магнитной индукции этого поля через поверхность, ограниченную контуром (ΔФ > 0), или уменьшается (ΔФ < 0).
3. Установить направление линий магнитной индукции ‘ магнитного поля индукционного тока. Эти линии должны быть согласно правилу Ленца направлены противоположно линиям магнитной индукции В при ΔФ > 0 и иметь одинаковое с ними направление при ΔФ <0.
4. Зная направление линий магнитной индукции ‘, найти направление индукционного тока, пользуясь правилом буравчика.
Источник: «Физика — 11 класс», учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин
Электромагнитная индукция. Физика, учебник для 11 класса — Класс!ная физика
Электромагнитная индукция. Магнитный поток —
Направление индукционного тока. Правило Ленца —
Закон электромагнитной индукции —
ЭДС индукции в движущихся проводниках. Электродинамический микрофон —
Вихревое электрическое поле —
Самоиндукция. Индуктивность. Энергия магнитного поля тока —
Электромагнитное поле —
Примеры решения задач —
Краткие итоги главы
В прошлом уроке мы рассмотрели магнитное поле прямого проводника с током. А что будет, если этот проводник будет иметь другую форму?
Наиболее интересен этот вопрос становится, если мы говорим про катушку.
Катушка — это проводник, намотанный на неметаллический (чаще всего деревянный) каркас.
Обычно катушка обладает большим количеством витков, расположенных вплотную друг к другу (рисунок 1). Получается, что проходя по этим проводам, ток идет по спирали.
В данном уроке вы узнаете, какое магнитное поле возникает при прохождении тока через катушку, какими интересными свойствами оно обладает и какое имеет применение.
Катушка с током как магнитная стрелка
Возьмем катушку и подвесим ее на тонких и гибких проводниках. Когда мы включим ток, катушка примет определенное положение (рисунок 2).
Дело в том, что один конец катушки будет направлен точно на север, а другой — на юг. Получается, что катушка при прохождении тока через нее ведет себя как магнитная стрелка. У нее так же есть два полюса: северный и южный.
Магнитное поле катушки
Если по катушке идет ток, то вокруг нее возникает магнитное поле. Его можно увидеть, проведя опыт с железными опилками, подобный тому, что мы проводили для прямого проводника с током в прошлом уроке.
На рисунке 3 представлено схематическое изображение магнитных линий для катушки с током.
Как вы видите, магнитные линии представляют собой замкнутые кривые. Принято считать, что они направлены от северного полюса катушки к южному.
Правило правой руки для катушки с током
Вы знаете, что направление тока и направление магнитных линий связаны между собой. Используя правило право руки для прямого проводника с током, мы можем найти направление тока, если нам известно направление магнитных линий. Или, наоборот, при известном направлении тока в проводнике мы можем определить направление магнитных линий.
Для катушки с током это правило тоже действует, но принимает немного другой вид (рисунок 4).
Правило правой руки для катушки с током:
если взять катушку в правую руку так, чтобы четыре пальца смотрели в сторону протекания тока, то отставленный большой палец укажет на северный полюс катушки и совпадет с направлением магнитных линий.
Изменение магнитного действия катушки
Так как катушки с током имеют два полюса, их часто применяют в технике как магниты. Почему же тогда просто не взять обычный магнит?
Дело в том, что магнитное действие катушки можно изменять (усиливать или ослаблять). Сейчас мы рассмотрим, какими способами это можно сделать.
Проведем простой опыт (рисунок 5). Насыпем мелкие железные опилки и включим ток. Катушка начнет притягивать их.
А теперь, не изменяя силу тока, возьмем катушку с большим числом витков, чем прежняя. Вы увидите, что количество притянутых опилок заметно увеличилось.
Магнитное действие катушки с током тем сильнее, чем больше число витков в ней.
Добавим к нашей электрической цепи реостат (рисунок 6). Он позволит изменять силу тока.
С помощью таких изменений силы тока, мы увидим, что при разных ее значениях катушка притягивает разное количество железных предметов.
При увеличении силы тока действие магнитного поля катушки с током усиливается, при уменьшении — ослабляется.
Можно ли усилить магнитное действие катушки с током, не изменяя количество витков и силу тока? Можно! Для этого нужно ввести внутрь катушки железный стержень (рисунок 7). Такие стержни называются сердечниками.
Электромагнит
Добавление сердечников в катушки с током — простой способ значительно усилить их магнитное действие. Поэтому такие конструкции получили широкое применение. Называют же их электромагнитами.
Электромагнит — это катушка с железным сердечником внутри.
Электромагниты являются основной частью многих приборов. Они обладают несколькими крайне полезными свойствами:
- Они быстро размагничиваются при выключении тока
- Во время работы можно менять силу тока в катушке и таким способом изменять магнитное действие электромагнита
- Электромагниты легко изготавливаются самых различных размеров.
Применение электромагнитов
Рассмотрим несколько примеров применения электромагнитов.
На рисунке 8 изображен дугообразный электромагнит. Он удерживает железную пластину (якорь) с подвешенным грузом.
Такие установки широко используются на заводах для перемещения различных изделий из металлов, сбора металлической стружки.
На рисунке 9 изображен в разрезе магнитный сепаратор для зерна.
Принцип его работы очень прост. В собранное зерно добавляют очень мелкие железные опилки. Они не прилипают к гладким зернам злаков, но прилипают к зернам сорняков.
Из бункера 1 зерна с опилками высыпаются на вращающийся барабан 2. Внутри него находится мощный электромагнит 5. Он притягивает железные опилки, а вместе с ними и зерна сорняков. Так сепаратор очищает зерно.
Электромагниты также применяются во многих других устройствах. Некоторые из них мы рассмотрим ниже в данном уроке в разделе “Задания”.
Упражнения
Упражнение №1
Нужно построить электромагнит, подъемную силу которого можно регулировать, не изменяя конструкции. Как это сделать?
Подъемная сила будет зависеть от магнитного действия электромагнита. Мы знаем три способа, как это сделать: изменить число витков, добавить сердечник или изменить силу тока.
Первый способ нам не подходит, так как подразумевает собой изменение конструкции. Второй не подходит, так как у нас и так уже катушка с вставленным сердечником (электромагнит).
Остается изменение силы тока. Для того, чтобы у нас была возможность это делать, необходимо включить в цепь реостат. Изменяя с его помощью силу тока, мы будем уменьшать или увеличивать магнитное действие электромагнита и изменять его подъемную силу.
Упражнение №2
Что надо сделать, чтобы изменить магнитные полюсы катушки с током на противоположные?
Вы уже знаете, что для определения полюсов катушки можно воспользоваться правилом правой руки. Пользуясь им, мы обхватываем катушку так, чтобы наши четыре пальца совпадали с направлением тока в витках. Тогда наш большой палец указывает на северный полюс катушки.
Это означает, что направление тока и расположение полюсов катушки связаны между собой.
Что сделать, чтобы северный полюс оказался с другой стороны? Поменять направление тока на противоположное.
Упражнение №3
Как построить сильный электромагнит, если конструктору дано условие, чтобы ток в электромагните был сравнительно малым?
Если мы не можем усилить магнитное действие электромагнита с помощью увеличения силы тока, то остается только увеличить количество витков в катушке.
Вставить дополнительно железный сердечник мы тоже не можем, так как электромагнит — это уже катушка с сердечником.
Упражнение №4
Используемые в подъемном кране электромагниты обладают громадной мощностью. Электромагниты, при помощи которых удаляют из глаз случайно попавшие железные опилки, очень слабы. Какими способами достигают такого различия?
Для увеличения мощности увеличивают число витков в катушке, силу тока, оставляют в катушке железный сердечник. Для уменьшения мощности можно уменьшить число витков, снизить силу тока и вытащить сердечник.
Задания
Задание №1
На рисунке 10 дана схема устройства электрического звонка. На ней буквами обозначено: ЭМ — дугообразный электромагнит, Я — железная пластинка — якорь, М — молоточек, З — звонковая чаша, К — контактная пружина, касающаяся винта В. Рассмотрите схему звонка и объясните, как он действует.
Когда мы подаем на это устройство питание, по проводам начинает течь ток. Он течет и по проводам в катушках дугообразного электромагнита (ЭМ).
Возникает магнитное поле. Катушки начинают действовать как магниты и притягивают к себе якорь (так как он железный).
К якорю прикреплен молоточек (М). При притяжении якоря к электромагниту он ударяется о звонковую чашу (З).
Также якорь соединен с контактной пластиной (К). При притяжении к электромагниту он тянет ее за собой и электрическая цепь размыкается — винт (В) перестает касаться пластины, тока нет.
Тут же пропадает и магнитное поле катушек. Якорь возвращается на прежнее место и цепь снова замыкается. Снова по проводам течет ток, возникает магнитное поле, и якорь притягивается к электромагниту.
Получается, что молоточек совершает мелкие быстрые удары по звонковой чаше. Каждый удар происходит при возникновении магнитного поля. Так будет происходить до тех пор, пока звонок не будет отключен от источника питания.
Задание №2
На рисунке 11 показана схема простейшей телеграфной установки, позволяющей передавать телеграммы со станции A на станцию B. На схеме цифрами обозначено: 1 — ключ, 2 — электромагнит, 3 — якорь, 4 — пружина, 5 — колесико смазанное краской.
По схеме объясните устройство установки.
Когда на станции A замыкается ключ, по проводам начинает идти электрический ток. На станции B вокруг катушки возникает магнитное поле, она начинает вести себя как магнит.
Катушка притягивает к себе якорь, и другой его конец прижимает ленту к колесику с краской. Пока лента прижата к колесику, на ней остается след.
Когда на станции A размыкают ключ, якорь возвращается в исходное положение. Он больше не прижимает ленту к колесику с краской — на ней не остается следов.
С помощью такой установки, находясь далеко друг от друга, можно выбивать на ленте, замыкая и размыкая ключ, символы азбуки Морзе — точки и тире.
Задание №3
В мощных электрических двигателях, применяемых в прокатных станах, шахтных подъемниках, насосах, сила тока достигает нескольких тысяч ампер. Так как в последовательно соединенных проводниках сила тока одинакова, то такая же сила тока будет во всех соединительных проводах этой цепи. Это очень неудобно, особенно если потребитель тока находится на большом расстоянии от пульта управления, где включается ток. Такие цепи можно включать при помощи специального устройства — электромагнитного реле (рисунок 12), приводя его в действие малой силой тока. На схеме обозначено: 1 — электромагнит, 2 — якорь, 3 — контакты рабочей цепи, 4 — пружина, 5 — электродвигатель, 6 — контакты цепи электродвигателя.
Объясните как действует прибор.
При замыкании ключа, в катушке электромагнита 1 возникает электрический ток. Также возникает и магнитное поле. Из-за этого электромагнит начинает притягивать к себе якорь 2.
Когда якорь притянулся к катушке, его правый конец опускается на контакты 3. Цепь оказывается замкнутой. Теперь по цепи, в которой находится электродвигатель тоже течет ток. Двигатель начинает работать.
Смысл такой установки в том, что малой силой тока с помощью использования электромагнита в устройстве реле, можно запускать электродвигатель большой мощности, находящийся на большом расстоянии от места включения тока.