Конспект лекций_ФИЗИКА_2сем (1175198), страница 14

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 14)

Более того,если контур неподвижен, а меняется B , то при изменении магнитного потока в контуре навеличину dФ, магнитное поле совершает ту же работу113ЛЕКЦИЯ 142.2.16. Опыты Фарадея. Индукционный ток. Правило ЛенцаС момента открытия связи магнитного поля с током (что является подтверждениемсимметрии законов природы), делались многочисленные попытки получить ток спомощью магнитного поля. Задача была решена Майклом Фарадеем в 1831 г.(Американец Джозеф Генри тоже открыл, но не успел опубликовать свои результаты.Ампер также претендовал на открытие, но не смог представить свои результаты).Фарадей Майкл (1791–1867) – знаменитый английский физик.Исследования в области электричества, магнетизма, магнитооптики,электрохимии.

Создал лабораторную модель электродвигателя. Открылэкстратоки при замыкании и размыкании цепи и установил ихнаправление. Открыл законы электролиза, первый ввел понятия поля идиэлектрической проницаемости, в 1845 г. употребил термин«магнитное поле». Кроме всего прочего, М. Фарадей открыл явлениядиа- и парамагнетизма. Он установил, что все материалы в магнитномполе ведут себя по-разному: ориентируются по полю (пара- иферромагнетики) или поперек поля – диамагнетики.Из школьного курса физики опыты Фарадея хорошо известны (рис.

2.2.28, рис. 2.2.29, рис.2.2.30).Рис. 2.2.28Рис. 2.2.29Рис. 2.2.30. ТрансформаторЕсли подносить постоянный магнит к катушке или наоборот (рис. 2.2.28), то в катушкевозникнет электрический ток. То же самое происходит с двумя близко расположеннымикатушками: если к одной из катушек подключить источник переменного тока, то в другой114также возникнет переменный ток (рис. 2.2.29), но лучше всего этот эффект проявляется,если две катушки соединить сердечником (рис. 2.2.30).По определению Фарадея общим для этих опытов является следующее: если потоквектора индукции, пронизывающий замкнутый, проводящий контур, меняется, то вконтуре возникает электрический ток.Это явление называют явлением электромагнитной индукции, а ток –индукционным. При этом явление совершенно не зависит от способа изменения потокавектора магнитной индукции.Итак, получается, что движущиеся заряды (ток) создают магнитное поле, адвижущееся магнитное поле создает (вихревое) электрическое поле и собственноиндукционный ток.Для каждого конкретного случая Фарадей указывал направление индукционного тока.В 1833 г.

русский физик Э.Х. Ленц установил общее правило нахождениянаправления тока: индукционный ток всегда направлен так, что магнитное поле этоготока препятствует изменению магнитного потока, вызывающего индукционный ток.Это утверждение носит название правило Ленца.Заполнение всего пространства однородным магнетиком приводит, при прочих равныхусловиях, к увеличению индукции в µ раз. Этот факт подтверждает то, что индукционныйток обусловлен изменением потока вектора магнитной индукции B , а не потока векторанапряженности.2.2.17.

Величина ЭДС индукцииДля создания тока в цепи необходимо наличие электродвижущей силы. Поэтому явлениеэлектромагнитной индукции свидетельствует о том, что при изменении магнитногопотока в контуре возникает электродвижущая сила индукцииНаша задача, используязаконы сохранения энергии, найти величинуи выяснить ее природу.Рассмотрим перемещение подвижного участка 1–2 контура с током в магнитном полеB (рис. 2.2.31).Рис. 2.2.31Пусть сначала магнитное поле B отсутствует. Батарея с ЭДС равнойсоздает ток. За время dt, батарея совершает работу:115(2.2.46),Эта работа будет переходить в тепло, которое можно найти по закону Джоуля–Ленца:здесь, R – полное сопротивление всего контура. Поместим контур в однородное магнитное поле с индукцией B . Линии B || n исвязаны с направлением тока «правилом буравчика».

Поток Ф, сцепленный с контуром –положителен.Каждый элемент контура испытывает механическую силу dF . Подвижная сторонарамки будет испытывать силу F0 . Под действием этой силы участок 1–2 будетперемещаться со скоростью. При этом изменится и поток магнитной индукции.Тогда в результате электромагнитной индукции, ток в контуре изменится и станетравным:Изменится и сила F0 , которая теперь станет равной результирующей силе F . Этасила за время dt произведет работу dA:Как и в случае, когда все элементы рамки неподвижны, источником работы является.При неподвижном контуре эта работа сводилась только лишь к выделению тепла. Внашем случае тепло тоже будет выделяться, но уже в другом количестве, так как токизменился. Кроме того, совершается механическая работа.

Общая работа за время dtравна:(2.2.47),Умножим левую и правую часть выражения (2.2.47) на, получимОтсюда(2.2.48),116Полученное выражение (2.2.48) мы вправе рассматривать как закон Ома для контура,в котором, кроме источника, действует, равная:(2.2.49),ЭДС индукции контура ( ) равна скорости изменения потока магнитной индукции,пронизывающей этот контур.Это выражение (2.2.49) для ЭДС индукции контура является совершенноуниверсальным, не зависящим от способа изменения потока магнитной индукции и носитназвание закон Фарадея.Знак минус – математическое выражение правила Ленца о направлении индукционноготока: индукционный ток всегда направлен так, чтобы своим полемпротиводействовать изменению начального магнитного поля.связаны «правилом буравчика»Направление индукционного тока и направление(рис. 2.2.32).Рис.

2.2.32Размерность ЭДС индукции:.Если контур состоит из нескольких витков, то надо пользоваться понятиемпотокосцепления (полный магнитный поток):где N – число витков.Итак, если,117Тогда закон Фарадея можно записать в следующем виде:,(2.2.50)2.2.18. Природа ЭДС индукцииОтветим на вопрос, что является причиной движения зарядов, причиной возникновенияиндукционного тока. Рассмотрим рис.

2.2.33Рис. 2.2.33· Если перемещать проводник в однородном магнитном поле B , то под действиемсилы Лоренца, электроны будут отклоняться вниз, а положительные заряды вверх –возникает разность потенциалов. Это и будет– сторонняя сила, под действиемкоторой течет ток. Как мы знаем, для положительных зарядовдля электронов· Если проводник неподвижен, а изменяется магнитное поле, какая сила возбуждаетиндукционный ток в этом случае?Возьмем обыкновенный трансформатор (рис.

2.2.30). Как только мы замкнули цепьпервичной обмотки, во вторичной обмотке сразу возникает ток. Сила Лоренца здесь нипричем, т.к. она действует на движущиеся заряды.Ответ был дан Дж. Максвеллом в 1860 г.: всякое переменное магнитное полевозбуждает в окружающем пространстве переменное электрическое поле E ' .

Оно иявляется причиной возникновения индукционного тока в проводнике. То есть, E 'возникает только при наличии переменного магнитного поля (на постоянном токетрансформатор не работает).118Сущность явления электромагнитной индукции совсем не в появлении индукционноготока (ток появляется тогда, когда есть заряды и замкнута цепь), а в возникновениивихревого электрического поля (не только в проводнике, но и в окружающемпространстве, в вакууме).Это поле имеет совершенно иную структуру, нежели поле, создаваемое зарядами.

Таккак оно не создается зарядами, то силовые линии не могут начинаться и заканчиваться назарядах, как это было у нас в электростатике. Это поле вихревое, силовые линии егозамкнуты.Так как это поле перемещает заряды, оно обладает силой. Введем векторнапряженности вихревого электрического поля E ' . Сила, с которой это поле действует назаряд,Но когда заряд движется в магнитном поле, на него действует сила Лоренца:Эти силы должны быть равны:, отсюда:(2.2.51),– скорость движения заряда q относительно B . Но для явления электромагнитнойиндукции важна скорость изменения магнитного поля B .

Поэтому можно записать:здесь,где(2.2.52)– скорость движения магнитного поля относительно заряда.ЭДС индукции. Если площадь S, которую пронизывает магнитный поток,величина постоянная (S = const), то можно записать:то есть, ЭДС индукциипропорциональна скорости изменения магнитного поля.119ЛЕКЦИЯ 152.2.19.

Циркуляция вектора напряженности вихревого электрического поляЧему равна циркуляция вектораизображенном на рис. 2.2.34?вихревогоэлектрическогополяE' вслучае,Рис. 2.2.34Работу вихревого электрического поля по перемещению заряда вдоль замкнутогоконтура L можно подсчитать по формуле:(2.2.53),С другой стороны, работа по перемещению единичного заряда вдоль замкнутой цепиравна ЭДС, действующей в этой цепи:(2.2.54),Из сравнения (2.2.53) и (2.2.54) можно сделать заключение, что циркуляция вектораэлектрического поля равна:(2.2.55),Так как никаких других сторонних сил в цепи, где течет индукционный ток, нет, томожно записать:(2.2.56),Эти выражения для циркуляции справедливы всегда, независимо от того, выполненконтур в виде линейного проводника, диэлектрика или речь идет о контуре (мысленном) ввакууме.При движении зарядадинамическое равновесие.впроводникеиз-засопротивленияустанавливается120Если контур выполнен из диэлектрика, то каждый элемент его поляризуется всоответствии с действующим электрическим полем E ' .Если заряд q движется в вакууме по контуру, то при каждом обходе контура механическаяэнергия его возрастает на величину(2.2.57),2.2.20.

Явление самоиндукцииДо сих пор мы рассматривали изменяющиеся магнитные поля, не обращая внимание нато, что является их источником. На практике чаще всего магнитные поля создаются спомощью различного рода соленоидов, т.е. многовитковых контуров с током.Здесь возможны два случая: при изменении тока в контуре изменяется магнитныйпоток, пронизывающий: а) этот же контур; б) соседний контур.ЭДС индукции, возникающая в самом же контуре, называется ЭДС самоиндукции, асамо явление – самоиндукция.Если же ЭДС индукции возникает в соседнем контуре, то говорят о явлении взаимнойиндукции.Ясно, что природа явления одна и та же, а разные названия использованы для того,чтобы подчеркнуть место возникновения ЭДС индукции.Явление самоиндукции открыл американский ученый Дж.

Характеристики

Список файлов учебной работы