Электромагнитная индукция. Магнитный поток.

Закон электромагнитной индукции. Правило Ленца

План ответа

1. Опыты по электромагнитной индукции. 2. Магнитный поток. 3. Закон электромагнитной ин-дукции. 4. Правило Ленца.

Явление электромагнитной индукции было открыто Майклом Фарадеем в 1831 г. Он опытным путем установил, что при изменении магнитного по-ля внутри замкнутого контура в нем возникает элек-трический ток, который называют индукционным током. Опыты Фарадея можно воспроизвести сле-дующим образом: при внесении или вынесении маг-нита в катушку, замкнутую на гальванометр, в ка-тушке возникает индукционный ток (рис. 24). Если рядом расположить две катушки (например, на об-щем сердечнике или одну катушку внутри другой) и одну катушку через ключ соединить с источником тока, то при замыкании или размыкании ключа в цепи первой катушки во второй катушке появится индукционный ток (рис. 25). Объяснение этого явле-ния было дано Максвеллом. Любое переменное маг-нитное поле всегда порождает переменное электриче-ское поле.

Для количественной характеристики процесса изменения магнитного поля через замкнутый контур вводится физическая величина под названием маг-нитный поток. Магнитным потоком через замкну-тый контур площадью S называют физическую вели-чину, равную произведению модуля вектора магнит-ной индукции В на площадь контура S и на косинус угла а между направлением вектора магнитной ин-дукции и нормалью к площади контура. Ф = BS cos б (рис. 26).

Опытным путем был установлен основной за-кон электромагнитной индукции: ЭДС индукции в замкнутом контуре равна по величине скорости из-менения магнитного потока через контур. о = ДФ/t..

Если рассматривать катушку, содержащую п витков, то формула основного закона электромагнитной ин-дукции будет выглядеть так: о = n ДФ/t.

Единица измерения магнитного потока Ф -- вебер (Вб): 1В6 =1В*c.

Из основного закона ДФ =о t следует смысл размерности: 1 вебер -- это величина такого магнит-ного потока, который, уменьшаясь до нуля за одну секунду, через замкнутый контур наводит в нем ЭДС индукции 1 В.

Классической демонстрацией основного закона электромагнитной индукции является первый опыт Фарадея: чем быстрее перемещать магнит через вит-ки катушки, тем больше возникает индукционный ток в ней, а значит, и ЭДС индукции.

Зависимость направления индукционного тока от характера изменения магнитного поля через замкнутый контур в 1833 г. опытным путем устано-вил русский ученый Ленц. Он сформулировал прави-ло, носящее его имя. Индукционный ток имеет та-кое направление, при котором его магнитное поле стремится скомпенсировать изменение внешнего магнитного потока через контур. Ленцем был скон-струирован прибор, представляющий собой два алю-миниевых кольца, сплошное и разрезанное, укреп-ленные на алюминиевой перекладине и имеющие возможность вращаться вокруг оси, как коромысло. (рис. 27). При внесении магнита в сплошное кольцо оно начинало «убегать» от магнита, поворачивая со-ответственно коромысло. При вынесении магнита из кольца кольцо стремилось «догнать» магнит. При движении магнита внутри разрезанного кольца ни-какого эффекта не происходило. Ленц объяснял опыт тем, что магнитное поле индукционного тока стре-милось компенсировать изменение внешнего магнит-ного потока.

Билет № 18

Явление самоиндукции. Индуктивность. Электромагнитное поле

План ответа

1. Опыты по самоиндукции. 2. ЭДС самоин-дукции. 3. Индуктивность. 4. Энергия магнитного поля.

Явление самоиндукции заключается в появле-нии ЭДС индукции в самом проводнике при измене-нии тока в нем. Примером явления самоиндукции является опыт с двумя лампочками, подключенными параллельно через ключ к источнику тока, одна из которых подключается через катушку (рис. 28). При замыкании ключа лампочка 2, включенная через ка-тушку, загорается позже лампочки 1. Это происхо-дит потому, что после замыкания ключа ток достига-ет максимального значения не сразу, магнитное поле нарастающего тока породит в катушке индукцион-ную ЭДС, которая в соответствии с правилом Ленца будет мешать нарастанию тока.

Для самоиндукции выполняется установлен-ный опытным путем закон: ЭДС самоиндукции пря-мо пропорциональна скорости изменения тока в проводнике. о = L ДI/t.

Коэффициент пропорциональности L называют индуктивностью. Индуктивность -- это величина, равная ЭДС самоиндукции при скорости изменения тока в проводнике 1 А/с. Индуктивность измеряется в генри (Гн). 1 Гн = 1 Вс/А.

1 генри -- это индук-тивность такого проводника, в котором возникает ЭДС самоиндукции 1 вольт при скорости изменения тока 1 А/с. Индуктивность характеризует магнитные свойства электрической цепи (проводника), зависит от магнитной проницаемости среды сердечника, раз-меров и формы катушки и числа витков в ней.

При отключении катушки индуктивности от источника тока лампа, включенная параллельно ка-тушке, дает кратковременную вспышку (рис. 29). Ток в цепи возникает под дей-ствием ЭДС самоиндукции. Ис-точником энергии, выделяю-щейся при этом в электри-ческой цепи, является магнит-ное поле катушки. Энергия магнитного поля находится по формуле

Wm == LI2/2.

Энергия магнитного поля зависит от индук-тивности проводника и силы тока в нем. Эта энергия может переходить в энергию электрического поля. Вихревое электрическое поле порождается перемен-ным магнитным полем, а переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле, т. е. пе-ременные электрическое и магнитное поля не могут существовать друг без друга. Их взаимосвязь позво-ляет сделать вывод о существовании единого элек-тромагнитного поля. Электромагнитное поле, одно из основных физических полей, посредством которого осуществляется взаимодействие электрически заря-женных частиц или частиц, обладающих магнитным моментом. Электромагнитное поле характеризуется напряженностью электрического поля и магнитной индукцией. Связь между этими величинами и рас-пределением в пространстве электрических зарядов и токов была установлена в 60-х годах прошлого столе-тия Дж. Максвеллом. Эта связь носит название основных уравнений электродинамики, которые опи-сывают электромагнитные явления в различных сре-дах и в вакууме. Получены эти уравнения как обоб-щение установленных на опыте законов электриче-ских и магнитных явлений.

Билет № 19

Свободные и вынужденные электромагнитные колебания. Колебательный контур и превращение энергии при электромагнитных колебаниях. Частота и период колебаний

План ответа

1. Определение. 2.Колебательный контур 3. Формула Томпсона.

Электромагнитные колебания -- это колеба-ния электрических и магнитных полей, которые со-провождаются периодическим изменением заряда, тока и напряжения. Простейшей системой, где могут возникнуть и существовать электромагнитные коле-бания, является колебательный контур. Колебатель-ный контур -- это система, состоящая из катушки индуктивности и конденсатора (рис. 30, а). Если кон-денсатор зарядить и замкнуть на катушку, то по ка-тушке потечет ток (рис. 30, б). Когда конденсатор разрядится, ток в цепи не прекратится из-за самоин-дукции в катушке. Индукционный ток, в соот-ветствии с правилом Ленца, будет течь в ту же сто-рону и перезарядит конденсатор (рис. 30, в). Ток в данном направлении прекратится, и процесс повто-рится в обратном направлении (рис. 30, г). Таким об-разом, в колебательном контуре будут происходить электромагнитные колебания из-за превращения энергии электрического поля конденсатора (Wэ = = CU2/2) в энергию магнитного поля катушки с то-ком (wm = LI2/2) и наоборот.

Период электромагнитных колебаний в иде-альном колебательном контуре (т. е. в таком контуре, где нет потерь энергии) зависит от индуктивности катушки и емкости конденсатора и находится по формуле Томпсона Т = 2р?LC. Частота с периодом связана обратно пропорциональной зависимостью н = 1/Т.

В реальном колебательном контуре свободные электромагнитные колебания будут затухающими из-за потерь энергии на нагревание проводов. Для практического применения важно получить незату-хающие электромагнитные колебания, а для этого необходимо колебательный контур пополнять элек-троэнергией, чтобы скомпенсировать потери энергии. Для получения незатухающих электромагнитных колебаний применяют генератор незатухающих ко-лебаний, который является примером автоколеба-тельной системы.

Билет № 20

Электромагнитные волны и их свойства. Принципы радиосвязи и примеры их практического использования

План ответа 1. Определение. 2. Условие возникновения. 3. Свойства электромагнитных волн. 4. Открытый колебательный контур. 5. Модуляция и детектирова-ние.

Английский ученый Джеймс Максвелл на основании изучения экспериментальных работ Фарадея по электричеству высказал гипотезу о существо-вании в природе особых волн, способных распростра-няться в вакууме.

Эти волны Максвелл назвал электромагнитными волнами. По представлениям Макс-велла: при любом изменении электрического поля возникает вихревое магнитное поле и, наоборот, при любом изменении магнитного поля возникает вихревое электрическое поле. Однажды начавшийся процесс взаимного порождения магнитного и элек-трического полей должен непрерывно продолжаться и захватывать все новые и новые области в окру-жающем пространстве (рис. 31). Процесс взаимопо-рождения электрических и магнитных полей проис-ходит во взаимно перпендикулярных плоскостях. Переменное электрическое поле порождает вихревое магнитное поле, переменное магнитное поле порож-дает вихревое электрическое поле.

Электрические и магнитные поля могут суще-ствовать не только в веществе, но и в вакууме. По-этому должно быть возможным распространение электромагнитных волн в вакууме.

Условием возникновения электромагнитных волн является ускоренное движение электрических зарядов. Так, изменение магнитного поля происхо-дит при изменении тока в проводнике, а изменение тока происходит при изменении скорости зарядов, т. е. при движении их с ускорением. Скорость рас-пространения электромагнитных волн в вакууме по расчетам Максвелла должна быть приблизительно равна 300 000 км/с.Впервые опытным путем получил электромаг-нитные волны физик Генрих Герц, использовав приэтом высокочастотный искровой разрядник (вибратор Герца). Герц опытным путем определил также ско-рость электромагнитных волн. Она совпала с теоре-тическим определением скорости волн Максвеллом. Простейшие электромагнитные волны -- это волны, в которых электрическое и магнитное поля совер-шают синхронные гармонические колебания.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9