Статья на тему "Электромагнитная индукция. Магнитный поток. "
статья по физике (11 класс)

4. Электромагнитная индукция. Магнитный поток. Правило Ленца

Изменяющееся во времени магнитное поле порождает электрическое поле, а изменяющееся электрическое поле - магнитное. Майкл Фарадей был уверен в единой природе электрических и магнитных явлений. Благодаря этому он сделал открытие, которое вошло в основу устройства генераторов всех электростанций мира, превращающих механическую энергию в энергию электрического тока.

Фарадей рассуждал так: электрический ток способен намагнитить кусок железа. Не может ли магнит, в свою очередь, вызвать появление электрического тока? В 1821 году он записал в свой рабочий дневник обратную задачу: «Превратить магнетизм в электричество».

Более десяти лет потребовалось, чтобы решить ее и найти способ получения электрической энергии из магнитной и механической.

Почти одновременно с Фарадеем швейцарский физик Жак-Даниэль Колладон также пытался получить электрический ток с помощью магнита. При работе он пользовался гальванометром, легкая магнитная стрелка которого помещалась внутри катушки прибора. Чтобы магнит не оказывал непосредственного влияния на стрелку, концы катушки, в которую Колладон вдвигал магнит, надеясь получить в ней ток, были выведены в соседнюю комнату и там присоединены к гальванометру. Вдвинув магнит в катушку, Колладон шел в эту комнату и с огорчением убеждался, что гальванометр показывает нуль. Стоило бы ему все время наблюдать за гальванометром и попросить кого-нибудь заняться магнитом, замечательное открытие было бы сделано. Но этого не случилось. Покоящийся относительно катушки магнит мог лежать преспокойно внутри нее сотни лет, не вызывая в катушке тока.

С подобного рода случайностями сталкивался и Фарадей, потому что он неоднократно пытался получить электрический ток при помощи магнита и при помощи тока в другом проводнике, но безуспешно.

Открытие электромагнитной индукции, как назвал сам Фарадей это явление (по-русски слово «индукция» означает наведение), было сделано в августе 1831 г. Оно звучит так: в проводящем контуре, который либо покоится в переменном во времени магнитном поле, либо движется в постоянном магнитном поле таким образом, что число линий магнитной индукции, пронизывающих контур, меняется, возникает электрический ток.

Вот краткое описание первого опыта: «На широкую деревянную катушку была намотана медная проволока длиной в 203 фута, и между витками ее намотана проволока такой же длины, но изолированная от первой хлопчатобумажной нитью, Одна из этих спиралей была соединена с гальванометром, а другая с сильной батареей, состоящей из 100 пар пластин... При замыкании цепи удавалось заметить внезапное, но чрезвычайно слабое действие на гальванометре, и то же самое замечалось при прекращении тока. При непрерывном же прохождении тока через одну из спиралей не удавалось отметить ни действия на гальванометр, ни вообще какого-либо индукционного действия на другую спираль, несмотря на то, что нагревание всей спирали, соединенной с батареей, и яркость искры, проскакивающей между углями, свидетельствовали о мощности батареи». 

В установке, изображённой на этом рисунке, индукционный ток возникает в одной из катушек в момент замыкания или размыкания электрической цепи другой катушки, которая неподвижна относительно первой. Искусственно создают переменное электрическое поле, оно порождает переменное магнитное поле. В результате возникает индукционный ток.

Здесь индукционный ток возникает при изменении силы тока в одной из катушек с помощью реостата.

Здесь индукционный ток возникает при движении катушек друг относительно друга. Во всех трех выше рассмотренных случаях, человек создает вначале переменное электрическое поле.

Здесь, при движении постоянного магнита относительно катушки создается переменное магнитное поле, которое в мотке катушки порождает индукционный ток.

В замкнутом проводящем контуре возникает ток при изменении числа линий магнитной индукции, пронизывающих поверхность, ограниченную этим контуром. И чем быстрее меняется число линий магнитной индукции, тем больше возникающий индукционный ток.

 Изменение магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур, может происходить по двум причинам.

Первая: магнитный поток изменяется вследствие перемещения контура или его частей в постоянном во времени магнитном поле.

Вторая причина изменения магнитного потока, пронизывающего контур, – изменение во времени магнитного поля при неподвижном контуре.

Потоком магнитной индукции или магнитным потоком (эф) через поверхность площадью (эс) называют величину, равную произведению модуля вектора магнитной индукции  (бэ)на площадь  (эс)и косинус угла между вектором магнитной индукции и нормалью (эн) к плоскости проводника: . Произведение вектора магнитной индукции на косинус угла альфа представляет собой проекцию вектора магнитной индукции на нормаль к плоскости контура. . Поэтому можно записать, что магнитный поток равен произведению нормального вектора магнитной индукции на площадь пронизывающего контура проводника. . Магнитный поток наглядно можно истолковать как величину, пропорциональную числу линий магнитной индукции, которые пронизывают поверхность площадью (эс).

Понятие «магнитный поток» (или поток магнитной индукции) вводится по аналогии с потоком жидкости. Поток жидкости — это объем жидкости, протекающей сквозь поперечное сечение трубы за единицу времени. Значит, поток жидкости равен произведению скорости течения (вэ) жидкости на площадь поперечного сечения трубы (эс).

Единицей магнитного потока является вебер. Магнитный поток в 1 вебер создается однородным магнитным полем с индукцией 1 тесла через поверхность площадью 1 квадратный метр. Пронизывающая поверхность расположена перпендикулярно вектору магнитной индукции.

Задача

Чему равен магнитный поток, пронизывающий контур, площадь которого 80 квадратных см? Модуль вектора магнитной индукции однородного магнитного поля равен 40 миллитеслам. Контур расположен перпендикулярно линиям магнитной индукции.

При решении воспользуемся определением магнитного потока. Подставим известные значения в формулу и получаем следующий результатОтвет: 32 сотых милливебера.

Задача

Магнитный поток через квадратную проволочную рамку со стороной 30 см, плоскость которой перпендикулярна линиям магнитной индукции однородного магнитного поля, равен 2 десятых милливебера. Каков модуль вектора магнитной индукции поля?

Величину магнитной индукции в формуле определения магнитного потока можно выразить как отношение магнитного потока к площади контура и к косинусу угла между контуром и линиями магнитной индукцииПодставим известные значения и получим результат в 2 целые и 22 сотых миллитесла.

Катушка с протекающим по ней током подобна магниту с двумя полюсами. Направление индукционного тока определяет, какой конец катушки играет роль того или иного полюса. То есть оно определяет: входят или выходят линии магнитной индукции из катушки. Если магнит начать приближать к катушке, то в ней появится индукционный ток такого же направления, и магнит обязательно оттолкнётся. Для сближения магнита и катушки нужно совершить положительную работу. Катушка становится подобно магниту, обращённому одноименным полюсом к приближающемуся к ней магниту. Одноименные же полюсы отталкиваются. При удалении магнита, наоборот, в соответствии с законом сохранения энергии требуется, чтобы появилась сила притяжения. В первом случае число линий магнитной индукции, пронизывающих витки катушки, или, что то же самое, магнитный поток, увеличивается, а во втором случае уменьшается. В первом случае линии индукции магнитного поля, созданного возникшим в катушке индукционным током, выходят из верхнего конца катушки, так как катушка отталкивает магнит, а во втором случае, наоборот, входят в этот конец.

Эмилий Христианович Ленц, русский физик, живший в 1804–1865 годах, установил правило определения направления индукционного тока, которое применимо во всех случаях. Возникающий в замкнутом контуре индукционный ток своим магнитным полем противодействует тому изменению магнитного потока, которым он вызван.

Правило Ленца применяют для нахождения направления индукционного тока в контуре по следующему алгоритму.

1. Определить направление линий магнитной индукции внешнего магнитного поля.
2. Выяснить, увеличивается ли поток магнитной индукции этого поля через поверхность, ограниченную контуром, или уменьшается.
3. Установить направление линий магнитной индукции магнитного поля индукционного тока согласно правилу Ленца.
4. Зная направление линий магнитной индукции поля индукционного тока, пользуясь правилом буравчика, найти направление индукционного тока.

Рассмотрим задачу. На рисунке изображен момент демонстрационного эксперимента по проверке правила Ленца, когда все предметы неподвижны. Южный полюс магнита находится внутри сплошного металлического кольца, но не касается его. Коромысло с металлическими кольцами может свободно вращаться вокруг вертикальной опоры. При выдвижении магнита из кольца оно будет двигаться по часовой стрелке. При удалении магнита из кольца в соответствии с законом сохранения энергии требуется, чтобы появилась сила притяжения, так как число линий магнитной индукции, пронизывающих витки катушки, уменьшается.

В качестве основных источников электромагнитного поля можно выделить:

  1) линии электропередач;

  2) электропроводка (внутри зданий и сооружений);

  3) бытовые электроприборы;

  4) персональные компьютеры;

  5) теле- и радиопередающие станции;

  6) спутниковая и сотовая связь (приборы, ретрансляторы);

  7) электротранспорт;

  8) радарные установки.

Провода работающей линии электропередачи создают в прилегающем пространстве (на расстоянии около десятков метров от провода) электромагнитное поле промышленной частоты около 50 герц. Границы санитарно-защитной зоны составляют 1 киловольт на метр.

В жилых помещениях электропроводка является основным источником электромагнитного поля промышленной частоты. При этом уровень напряженности электрического поля, излучаемого источником невысок.

Все бытовые приборы, работающие с использованием электрического тока, также являются источниками электромагнитных полей. При этом уровень излучения изменяется в широчайших пределах в зависимости от модели, устройства прибора и конкретного режима работы. Чем выше мощность, тем выше уровень электромагнитного поля при работе прибора. Поэтому не рекомендуется постоянно пользоваться феном для волос, электробритвой, микроволновой печью, электрическим чайником и другими электроприборами.

Основным источником неблагоприятного воздействия на здоровье человека является компьютер. Кроме монитора и системного блока персональный компьютер может также включать в себя большое количество других устройств (таких, как принтеры, сканеры, сетевые фильтры и т.п.). Все эти устройства работают с применением электрического тока, а значит, являются источниками электромагнитного поля. 

Электромагнитное поле персональных компьютеров имеет сложнейший волновой и спектральный состав и трудно поддается измерению и количественной оценке. Оно имеет магнитную, электростатическую и лучевую составляющие (в частности, электростатический потенциал сидящего перед монитором человека может колебаться от –3 до +5 В). Учитывая то условие, что персональные компьютеры сейчас активно используются во всех отраслях человеческой деятельности, их влияние на здоровье людей подлежит тщательнейшему изучению и контролю.

В каждой стране передающие станции и центры размещаются в специально отведенных для них зонах и могут занимать до 1000 гектаров. Эта территория имеет мощнейшее электромагнитное поле. Здесь находятся одно или несколько технических зданий, где имеются радиопередатчики, и антенные поля, которые включают в себя излучающую антенну и фидерную линию, подводящую транслируемый сигнал.

Системы спутниковой связи создают высокие напряженности электромагнитного поля на значительных расстояниях от антенн. Передающие станции излучают узконаправленный волновой пучок, направленный к спутникам – ретрансляторам, находящихся на орбите.  Рассеяние энергии происходит больше всего в районе непосредственного размещения антенны.

В системе сотовой связи базовые станции поддерживают радиосвязь с мобильными аппаратами, вследствие чего они являются источниками электромагнитного поля. Интенсивность излучения базовой станции определяется  наличием владельцев сотовых телефонов в зоне обслуживания конкретной базовой станции. Интенсивность же излучения мобильных аппаратов зависит в значительной степени от состояния канала связи.

Электротранспорт, то есть троллейбусы, трамваи, поезда метрополитена и т.п., являются мощным источником электромагнитного поля. При этом в роли главного излучателя в подавляющем большинстве случаев выступает тяговый 

электродвигатель (для троллейбусов и трамваев воздушные токоприёмники по напряженности излучаемого электрического поля соперничают с электродвигателем).

Радиолокационные и радарные установки имеют обычно антенны рефлекторного типа («тарелки») и излучают узконаправленный радиолуч. Периодическое перемещение антенны в пространстве приводит к пространственной прерывистости излучения и усилению вокруг него электромагнитного поля.

Открытие человеком существования электромагнитного поля привело к созданию, например, металлодетектора. Электромагнитное поле создается вокруг любого металлического предмета при помещении его в другое электромагнитное поле. На этом основан принцип действия металлодетектора. Вторичное электромагнитное поле различается как по

 напряженности (силе поля), так и по прочим параметрам. 

Эти параметры зависят от размера предмета и его проводимости (у золота и серебра проводимость гораздо лучше, чем, например, у свинца) и естественно - от расстояния между антенной металлодетектора и самим предметом (глубины залегания). 

Металлодетектор состоит из четырех основных блоков: антенны, электронного обрабатывающего блока, блока вывода информации и блока питания. Это может быть ЖК-дисплей или стрелочный индикатор, аудио - динамика или гнезда для наушников.

Открытие электромагнитного поля привело к производству электрической энергии. Человек научился преобразованию  тока с помощью трансформатора.

Основной принцип работы трансформатора заключается в том, что ЭДС, вырабатываемое током при производстве электроэнергии на станциях, зависит от частоты вращения рамки в магнитном поле. Значит, если на стержень П-образного стального сердечника надеть проволочную 

катушку и пропустить по катушке изменяющийся по величине и направлению электрический ток, то во второй катушке, надетой на стальной сердечник, появится электродвижущая сила индукции. Если цепь второй катушки замкнута, например, с помощью электролампочки, по цепи пойдет электрический ток.

На электростанциях магнитную цепь делают замкнутой, чтобы потери электроэнергии были меньше.