Как можете да промените магнитния поток през верига? Магнитен поток (Zaritsky A.N.). Вихрово електрическо поле

В този урок ще научим за нова концепция за нас - магнитен поток - и ще разгледаме как се характеризира.

Нека си припомним, че когато параметрите на магнитното поле се променят в близост до затворен проводник, в него възниква ток. Този ток се нарича индукционен ток, а явлението се нарича електромагнитна индукция.

Остава обаче въпросът какви специфични параметри на магнитното поле са ни необходими, за да получим този ефект? Първо, нека проведем експеримент:

За да го изпълним, се нуждаем от: намотка с голям брой навивки и амперметър, свързан към нея. По време на експеримента обърнете внимание на поведението на стрелката на амперметъра (фиг. 1).

Ориз. 1. Опитите на Фарадей

Както виждаме, при спускане и изваждане на магнитна лента от бобина в него се образува индукционен ток.

Нека анализираме коя конкретна промяна на параметъра е довела до наблюдавания ефект. Когато магнитът се приближава и отдалечава от бобината, силата на магнитното поле в него се променя.

По този начин величината, която влияе върху образуването на индукционен ток в намотката, е силата на магнитното поле.

Нека си припомним, че се описва от такава величина като магнитна индукция. Това е вектор и се обозначава и измерва в T.

Затворен тел пръстен, поставен перпендикулярно на магнитното поле, се компресира от няколко страни, така че променя формата си (фиг. 2).

Ориз. 2. Илюстрация на експеримента

В този случай по време на процеса на деформация в пръстена възниква индукционен ток. Какво променихме този път?

Сега площта на пръстена се е променила. Разбира се, вместо пръстен, можете да експериментирате с всеки затворен проводник.

Веригата е затворен проводник (фиг. 3).

Ориз. 3. Контур

Ориз. 4. Генератор

Основните му елементи са (фиг. 4):

• намотка, която може да се върти около оста си;
• постоянен магнит, монтиран около намотката.

Когато бобината се върти в магнитно поле, можете да видите, че електрическата крушка свети (т.е. във веригата се появява индукционен ток).

От този опит можем да заключим, че явлението електромагнитна индукция се проявява и при въртене на намотка или проводяща рамка в магнитно поле (фиг. 5), т.е. когато ъгълът между магнитните линии и равнината на проводника се променя.

Ориз. 5. Илюстрация към експеримента

И трите параметъра, промените в които влияят върху големината на индукционния ток, са обединени от физическо количество, наречено магнитен поток.

В -модул за индукция на магнитно поле

С- контурна зона

Характеризира местоположението на контурната равнина спрямо магнитната линия.

Магнитният поток се измерва във Webers (Wb) и се обозначава с буквата Е.

По този начин магнитният поток е пропорционален на модула на магнитната индукция на полето, площта на веригата и зависи от местоположението на равнината на веригата спрямо магнитната линия.

Задача за анализ на параметрите на магнитния поток

За да научите как да правите изводи за промени в магнитния поток в елементите на различни електрически вериги, които могат да доведат до наличието на нежелани индукционни токове, разгледайте проблема.

Телена намотка със стоманена сърцевина е свързана към DC верига последователно с реостат и превключвател (фиг. 6).

Ориз. 6. Илюстрация към задачата

Електрическият ток, протичащ през клоновете на намотката, създава магнитно поле в пространството около нея (фиг. 7). В полето на намотката има същата намотка.

Ориз. 7. Илюстрация към задачата

Как можете да промените магнитния поток, преминаващ през намотката? Обмислете всички възможни варианти.

Нека си припомним промяната на кои параметри води до промяна в магнитния поток.

Нека започнем с промяна на индукцията на магнитното поле на бобината. Това може да се постигне чрез промяна на силата на тока, който генерира нейното магнитно поле. Можете да промените тока в показаната верига по 2 начина:

1. Преместване на плъзгача на реостата

2. Включете/изключете ключа

Струва си да се отбележи, че промяната в стойността на тока ще бъде най-голяма от максимум до нула, което ще доведе до най-голяма промяна в магнитния поток в намотката.

Следващият параметър, промяната на който ще повлияе на стойността на магнитния поток, е площта на веригата. В нашия случай намотките, но не можем да променим площта на напречното сечение на намотката. Следователно опцията отпада.

Последната възможност за промяна на магнитния поток е завъртане на намотката спрямо магнитните линии на намотката. За да постигнете максимален резултат от промяната, трябва да завъртите намотката на 90 (фиг. 8).

Ориз. 8. Илюстрация към задачата

Какво се описва с магнитен поток?

Както вече отбелязахме, това зависи от:

• От силата на магнитното поле
• От зоната на веригата, през която преминават тези магнитни линии
• От ъгъла на разположение между веригата и магнитните линии

По този начин, магнитен потокхарактеризира броя на магнитните линии, проникващи в ограничена верига.

Това се проверява лесно.

1. Нека сравним броя на линиите, които проникват през един и същ контур, но в магнитни полета с различна сила (фиг. 9).

В по-силно поле повече линии проникват в контура.

Ориз. 9. Илюстрация към задачата

2. Ако сравним броя на линиите, които в едно и също еднородно магнитно поле проникват през контури на различни области, тогава очевидно има повече от тях през по-големия контур (фиг. 10).

Ориз. 10. Илюстрация към задачата

3. Ако сравним въртенето на контура в магнитно поле под ъгъл спрямо магнитните линии и разположението му по линиите, то в първия случай техният брой през равнината на контура ще бъде максимален. А във втория магнитните линии ще се плъзгат по контура и изобщо няма да го проникнат (фиг. 11).

В тези примери по-голям брой линии през веригата съответстват на по-голям магнитен поток.

В резултат на това отбелязваме, че тъй като величината на индукционния ток зависи от промяната в магнитната индукция, площта на веригата и нейната ориентация в пространството, обичайно е да се каже, че зависи от промяната в магнитния поток .

Освен това експериментите на Фарадей показаха, че скоростта на промяна на магнитния поток е важна. Колкото по-бързо промените тези стойности, толкова по-голяма ще бъде величината на индукционния ток.

По този начин може да се твърди, че явлението електромагнитна индукция се характеризира със скоростта на промяна на магнитния поток.

Задачата за определяне на условията за възникване на индуциран ток

За да разберете връзката между магнитния поток през веригата и явлението електромагнитна индукция в нея, разгледайте проблема:

Малка намотка се движи напред в еднородно магнитно поле. Получава ли се индуциран ток в бобината? Обосновете отговора си.

Ориз. 12. Илюстрация към задачата

Може да изглежда, че поради движението на бобината може да има промени, последицата от които ще бъде появата на индукционен ток в нейните завои (фиг. 12).

Нека си припомним, че предпоставка за възникване на индукционен ток е промяната на магнитния поток през завоите на бобината. Това изисква промяна в магнитната индукция през веригата на бобината. Какво не се спазва, защото по условие полето е хомогенно.

Освен това е възможно да се промени площта на напречното сечение на намотката, което също не се наблюдава.

Последният възможен вариант е да се промени ъгълът на въртене на равнината на намотката спрямо силовите линии на магнитното поле, което очевидно също не се случва, тъй като движението е транслационно, което означава, че не се наблюдава въртене на намотката.

Следователно заключаваме, че магнитният поток няма да се промени и съответно няма да се образува индукционен ток в завоите на намотката.

Сравнение на магнитния поток с водния поток

Наименованието на новата физична величина магнитен поток, която изследвахме, не е случайно. Факт е, че магнитният поток през веригата може да се сравни с потока вода през пръстен, който е поставен в тръба (фиг. 13). (1)

Колкото по-висока е скоростта на водата, толкова повече тя преминава през пръстена за единица време. (2)

Колкото по-голяма е площта на пръстена, толкова повече вода ще тече през него за наблюдаваното време. (3)

Ако завъртите пръстена с позицията му напречно на потока вода, максималното количество вода ще тече през равнината на пръстена. (4)

Ако започнете да го завъртате под остър ъгъл спрямо потока, тогава ще тече все по-малко вода. (5)

Ориз. 13. Сравнение на магнитния поток с водния поток

И при завъртане по изтичането водата изобщо няма да премине през пръстена, а ще се плъзне по него. (6)

Разгледахме подобни свойства за магнитния поток.

По време на урока обяснихме кои параметри на магнитното поле и веригата трябва да се променят, за да се наблюдава явлението електромагнитна индукция. Обединихме това в понятието "магнитен поток".

Библиография

1. Аксенович Л. А. Физика в средното училище: теория. Задачи. Тестове: Учебник. надбавка за институции, предоставящи общо образование. среда, образование.
2. Яворски Б.М., Пински А.А., Основи на физиката, том 2., - М. Физматлит., 2003.
3. Учебник по елементарна физика. Ед. Г.С. Ландсберг, Т. 3. - М., 1974.

1. Festival.1september.ru ().
2. Nvtc.ee().
3. Сlass-fizika.narod.ru ().

Домашна работа

1. Какво определя магнитния поток, който прониква в областта на плоска верига, поставена в равномерно магнитно поле?
2. Как се променя магнитният поток, когато магнитната индукция се увеличи n пъти, ако нито площта, нито ориентацията на веригата се променят?
3. Променя ли се магнитният поток при такова въртене на веригата, когато линиите на магнитна индукция след това проникват в нея. тогава те се плъзгат по неговата равнина?

МАГНИТНО ПОЛЕ

Магнитното взаимодействие на движещи се електрически заряди, според концепциите на теорията на полето, се обяснява по следния начин: всеки движещ се електрически заряд създава магнитно поле в околното пространство, което може да действа върху други движещи се електрически заряди.

B е физична величина, която е силова характеристика на магнитно поле. Нарича се магнитна индукция (или индукция на магнитно поле).

Магнитна индукция- векторно количество. Големината на вектора на магнитната индукция е равна на съотношението на максималната стойност на силата на Ампер, действаща върху прав проводник с ток, към силата на тока в проводника и неговата дължина:

Единица за магнитна индукция. В Международната система от единици единицата за магнитна индукция се приема за индукция на магнитно поле, в което максимална сила на Ампер от 1 N действа върху всеки метър дължина на проводника с ток от 1 A. Тази единица се нарича тесла (съкратено Т), в чест на изключителния югославски физик Н. Тесла:

СИЛА НА ЛОРЕНТЦ

Движението на проводник с ток в магнитно поле показва, че магнитното поле действа върху движещи се електрически заряди. Силата на Ампер действа върху проводника F A = ​​​​IBlsin a, а силата на Лоренц действа върху движещ се заряд:

Където а- ъгъл между векторите B и v.

Движение на заредени частици в магнитно поле. В еднородно магнитно поле заредена частица, движеща се със скорост, перпендикулярна на индукционните линии на магнитното поле, се въздейства от сила m, постоянна по големина и насочена перпендикулярно на вектора на скоростта Под въздействието на магнитна сила, частицата придобива ускорение, чийто модул е ​​равен на:

В еднородно магнитно поле тази частица се движи в кръг. Радиусът на кривината на траекторията, по която се движи частицата, се определя от условието, от което следва,

Радиусът на кривината на траекторията е постоянна стойност, тъй като сила, перпендикулярна на вектора на скоростта, променя само посоката си, но не и величината. А това означава, че тази траектория е кръг.

Периодът на въртене на частица в еднородно магнитно поле е равен на:

Последният израз показва, че периодът на въртене на частица в еднородно магнитно поле не зависи от скоростта и радиуса на нейната траектория.

Ако силата на електрическото поле е нула, тогава силата на Лоренц l е равна на магнитната сила m:

ЕЛЕКТРОМАГНИТНА ИНДУКЦИЯ

Феноменът на електромагнитната индукция е открит от Фарадей, който установява, че електрически ток възниква в затворена проводяща верига при всяка промяна в магнитното поле, проникващо във веригата.

МАГНИТЕН ПОТОК

Магнитен поток Е(поток на магнитна индукция) през повърхност на площ С- стойност, равна на произведението на големината на вектора на магнитната индукция и площта Си косинус на ъгъла Амежду вектора и нормалата към повърхността:

Ф=BScos

В SI единицата за магнитен поток е 1 Weber (Wb) - магнитен поток през повърхност от 1 m2, разположена перпендикулярно на посоката на еднородно магнитно поле, чиято индукция е 1 T:

Електромагнитна индукция- феноменът на възникване на електрически ток в затворена проводяща верига с всяка промяна в магнитния поток, проникващ във веригата.

Възниквайки в затворен контур, индуцираният ток има такава посока, че магнитното му поле противодейства на промяната в магнитния поток, която го причинява (правило на Ленц).

ЗАКОН ЗА ЕЛЕКТРОМАГНИТНАТА ИНДУКЦИЯ

Експериментите на Фарадей показаха, че силата на индуцирания ток I i в проводяща верига е право пропорционална на скоростта на промяна в броя на линиите на магнитна индукция, проникващи през повърхността, ограничена от тази верига.

Следователно силата на индукционния ток е пропорционална на скоростта на промяна на магнитния поток през повърхността, ограничена от контура:

Известно е, че ако във веригата се появи ток, това означава, че външни сили действат върху свободните заряди на проводника. Работата, извършена от тези сили за преместване на единичен заряд по затворен контур, се нарича електродвижеща сила (ЕМС). Нека намерим индуцираната едс ε i.

Според закона на Ом за затворена верига

Тъй като R не зависи от , тогава

Индуцираната ЕДС съвпада по посока с индуцирания ток и този ток, в съответствие с правилото на Ленц, е насочен така, че създаваният от него магнитен поток противодейства на промяната на външния магнитен поток.

Закон за електромагнитната индукция

Индуцираната ЕДС в затворена верига е равна на скоростта на промяна на магнитния поток, преминаващ през веригата, взета с обратен знак:

САМОИНДУКЦИЯ. ИНДУКТИВНОСТ

Опитът показва, че магнитният поток Есвързан с верига е право пропорционален на тока в тази верига:

Ф = L*I .

Индуктивност на веригата Л- коефициент на пропорционалност между преминаващия през веригата ток и създадения от него магнитен поток.

Индуктивността на проводника зависи от неговата форма, размер и свойства на околната среда.

Самоиндукция- феноменът на възникване на индуцирана ЕДС във верига, когато магнитният поток се промени, причинено от промяна в тока, преминаващ през самата верига.

Самоиндукцията е частен случай на електромагнитна индукция.

Индуктивността е величина, числено равна на самоиндуктивната ЕДС, която възниква във верига, когато токът в нея се променя с единица за единица време. В SI единицата индуктивност се приема за индуктивност на проводник, в който, когато силата на тока се промени с 1 A за 1 s, възниква самоиндуктивна едс от 1 V. Тази единица се нарича хенри (H):

ЕНЕРГИЯ НА МАГНИТНОТО ПОЛЕ

Феноменът на самоиндукцията е подобен на феномена на инерцията. Индуктивността играе същата роля при промяна на тока, както масата при промяна на скоростта на тялото. Аналогът на скоростта е ток.

Това означава, че енергията на магнитното поле на тока може да се счита за стойност, подобна на кинетичната енергия на тялото:

Да приемем, че след изключване на намотката от източника, токът във веригата намалява с времето по линеен закон.

ЕДС на самоиндукция в този случай има постоянна стойност:

където I е началната стойност на тока, t е периодът от време, през който силата на тока намалява от I до 0.

За време t през веригата преминава електрически заряд q = I cp t. защото I cp = (I + 0)/2 = I/2, тогава q=It/2. Следователно работата на електрически ток:

Тази работа се извършва благодарение на енергията на магнитното поле на намотката. Така отново получаваме:

Пример.Определете енергията на магнитното поле на бобината, в която при ток от 7,5 A магнитният поток е 2,3 * 10 -3 Wb. Как ще се промени енергията на полето, ако силата на тока се намали наполовина?

Енергията на магнитното поле на бобината е W 1 = LI 1 2 /2. По дефиниция индуктивността на бобината е L = Ф/I 1. следователно

Отговор:енергията на полето е 8,6 J; когато токът се намали наполовина, той ще намалее 4 пъти.

Магнитен поток (поток от линии на магнитна индукция) през контура е числено равно на произведението на големината на вектора на магнитната индукция от площта, ограничена от контура, и от косинуса на ъгъла между посоката на вектора на магнитната индукция и нормалата към повърхността, ограничена от този контур.

Формула за работата на силата на Ампер при движение на прав проводник с постоянен ток в еднородно магнитно поле.

По този начин работата, извършена от силата на Ампер, може да бъде изразена чрез тока в преместения проводник и промяната в магнитния поток през веригата, в която е свързан този проводник:

Индуктивност на веригата.

Индуктивност - физически стойност, числено равна на самоиндуктивната едс, която възниква във веригата, когато токът се промени с 1 ампер за 1 секунда.
Индуктивността може да се изчисли и по формулата:

където Ф е магнитният поток през веригата, I е силата на тока във веригата.

SI единици за индуктивност:

Енергия на магнитното поле.

Магнитното поле има енергия. Точно както има резерв от електрическа енергия в зареден кондензатор, има резерв от магнитна енергия в намотката, през която протича ток.

Електромагнитна индукция.

Електромагнитна индукция - феноменът на възникване на електрически ток в затворена верига, когато магнитният поток, преминаващ през него, се променя.

Опитите на Фарадей. Обяснение на електромагнитната индукция.

Ако доближите постоянен магнит до намотката или обратно (фиг. 3.1), в намотката ще възникне електрически ток. Същото се случва с две близко разположени намотки: ако източник на променлив ток е свързан към една от намотките, тогава променлив ток ще се появи и в другата, но този ефект се проявява най-добре, ако двете намотки са свързани със сърцевина

Според дефиницията на Фарадей тези експерименти имат следното общо: Ако потокът на индукционния вектор, преминаващ през затворена проводяща верига, се промени, тогава във веригата възниква електрически ток.

Това явление се нарича феномен електромагнитна индукция , а токът е индукция. В този случай явлението е напълно независимо от метода за промяна на потока на вектора на магнитната индукция.

Формула e.m.f. електромагнитна индукция.

индуцирана емф в затворен контур е право пропорционален на скоростта на промяна на магнитния поток през зоната, ограничена от този контур.

Правилото на Ленц.

Правилото на Ленц

Индуцираният ток, възникващ в затворена верига, със своето магнитно поле противодейства на промяната в магнитния поток, която го причинява.

Самоиндукция, нейното обяснение.

Самоиндукция- феноменът на възникване на индуцирана ЕДС в електрическа верига в резултат на промяна в силата на тока.

Затваряне на веригата
При късо съединение в електрическата верига токът се увеличава, което предизвиква увеличаване на магнитния поток в бобината и се появява вихрово електрическо поле, насочено срещу тока, т.е. В бобината възниква емф на самоиндукция, предотвратявайки увеличаването на тока във веригата (вихровото поле инхибира електроните).
В резултат на това L1 светва по-късно от L2.

Отворена верига
При отваряне на електрическата верига токът намалява, настъпва намаляване на потока в бобината и се появява вихрово електрическо поле, насочено като ток (опитвайки се да поддържа същата сила на тока), т.е. В бобината възниква самоиндуцирана ЕДС, поддържаща тока във веригата.
В резултат на това L мига ярко, когато е изключен.

в електротехниката явлението самоиндукция се проявява при затваряне на веригата (електрическият ток нараства постепенно) и при отваряне на веригата (електрическият ток не изчезва веднага).

Формула e.m.f. самоиндукция.

Самоиндуктивната ЕДС предотвратява увеличаването на тока, когато веригата е включена, и намаляването на тока, когато веригата е отворена.

Първото и второто положение на теорията на Максуел за електромагнитното поле.

1. Всяко изместено електрическо поле генерира вихрово магнитно поле. Променливото електрическо поле е наречено от Максуел, защото, подобно на обикновения ток, то произвежда магнитно поле. Вихровото магнитно поле се генерира както от токове на проводимост Ipr (движещи се електрически заряди), така и от токове на изместване (преместено електрическо поле E).

Първото уравнение на Максуел

2. Всяко изместено магнитно поле генерира вихрово електрическо поле (основният закон на електромагнитната индукция).

Второто уравнение на Максуел:

Електромагнитно излъчване.

Електромагнитни вълни, електромагнитно излъчване- смущение (промяна в състоянието) на електромагнитното поле, разпространяващо се в пространството.

3.1. Вълна - Това са вибрации, разпространяващи се в пространството във времето.
Механичните вълни могат да се разпространяват само в някаква среда (вещество): в газ, в течност, в твърдо тяло. Източникът на вълните са осцилиращи тела, които създават деформация на околната среда в околното пространство. Необходимо условие за появата на еластични вълни е появата в момента на смущение на средата на сили, които го възпрепятстват, по-специално еластичност. Те са склонни да сближават съседните частици, когато се раздалечават, и да ги отблъскват една от друга, когато се приближават една към друга. Еластичните сили, действащи върху отдалечените от източника на смущение частици, започват да ги дисбалансират. Надлъжни вълнихарактерни само за газообразни и течни среди, но напречен– също и за твърди тела: причината за това е, че частиците, които изграждат тези среди, могат да се движат свободно, тъй като не са неподвижно фиксирани, за разлика от твърдите тела. Съответно напречните вибрации са принципно невъзможни.

Надлъжните вълни възникват, когато частиците на средата осцилират, ориентирани по вектора на разпространение на смущението. Напречните вълни се разпространяват в посока, перпендикулярна на вектора на удара. Накратко: ако в дадена среда деформацията, причинена от смущение, се проявява под формата на срязване, разтягане и компресия, тогава говорим за твърдо тяло, за което са възможни както надлъжни, така и напречни вълни. Ако появата на промяна е невъзможна, тогава средата може да бъде всякаква.

Всяка вълна се движи с определена скорост. Под скорост на вълната разберете скоростта на разпространение на смущението. Тъй като скоростта на вълната е постоянна величина (за дадена среда), изминатото от вълната разстояние е равно на произведението на скоростта и времето на нейното разпространение. По този начин, за да намерите дължината на вълната, трябва да умножите скоростта на вълната по периода на трептене в нея:

Дължина на вълната - разстоянието между две най-близки една до друга точки в пространството, в които трептенията протичат в една и съща фаза. Дължината на вълната съответства на пространствения период на вълната, тоест разстоянието, което точка с постоянна фаза „пътува“ в интервал от време, равен на периода на трептене, следователно

Вълново число(също наричан пространствена честота) е съотношението 2 π радиан към дължина на вълната: пространствен аналог на кръгова честота.

Определение: вълновото число k е скоростта на нарастване на вълновата фаза φ по пространствена координата.

3.2. Плоска вълна - вълна, чийто фронт има формата на равнина.

Фронтът на плоска вълна е неограничен по размер, векторът на фазовата скорост е перпендикулярен на фронта. Плоската вълна е специално решение на вълновото уравнение и удобен модел: такава вълна не съществува в природата, тъй като фронтът на плоска вълна започва и завършва при , което очевидно не може да съществува.

Уравнението на всяка вълна е решение на диференциално уравнение, наречено вълново уравнение. Вълновото уравнение за функцията се записва като:

Където

· - оператор на Лаплас;

· - необходимата функция;

· - радиус на вектора на желаната точка;

· - скорост на вълната;

· - време.

вълнова повърхност - геометрично място на точки, изпитващи смущение на обобщената координата в една и съща фаза. Специален случай на вълнова повърхност е вълновият фронт.

а) Плоска вълна е вълна, чиито вълнови повърхности са набор от равнини, успоредни една на друга.

б) Сферична вълна е вълна, чиито вълнови повърхности са набор от концентрични сфери.

Рей- линия, нормална и вълнова повърхност. Посоката на разпространение на вълната се отнася до посоката на лъчите. Ако средата за разпространение на вълната е хомогенна и изотропна, лъчите са прави (а ако вълната е равнинна, те са успоредни прави).

Концепцията за лъч във физиката обикновено се използва само в геометричната оптика и акустиката, тъй като когато възникнат ефекти, които не се изучават в тези посоки, смисълът на концепцията за лъч се губи.

3.3. Енергийни характеристики на вълната

Средата, в която се разпространява вълната, има механична енергия, която е сумата от енергиите на вибрационното движение на всички нейни частици. Енергията на една частица с маса m 0 се намира по формулата: E 0 = m 0 Α 2ω 2/2. Единица обем на средата съдържа n = стр/m 0 частици (ρ - плътност на средата). Следователно единица обем на средата има енергия w р = nЕ 0 = ρ Α 2ω 2 /2.

Обемна енергийна плътност(W р) - енергия на вибрационно движение на частици от средата, съдържащи се в единица от нейния обем:

Енергиен поток(F) - стойност, равна на енергията, пренесена от вълна през дадена повърхност за единица време:

Интензитет на вълната или плътност на енергийния поток(I) - стойност, равна на енергийния поток, пренесен от вълна през единица площ, перпендикулярна на посоката на разпространение на вълната:

3.4. Електромагнитна вълна

Електромагнитна вълна- процесът на разпространение на електромагнитно поле в пространството.

Състояние на възникванеелектромагнитни вълни. Промените в магнитното поле възникват, когато се променя силата на тока в проводника, а силата на тока в проводника се променя, когато се променя скоростта на движение на електрическите заряди в него, т.е. когато зарядите се движат с ускорение. Следователно електромагнитните вълни трябва да възникнат от ускореното движение на електрически заряди. Когато скоростта на зареждане е нула, има само електрическо поле. При постоянна скорост на зареждане възниква електромагнитно поле. При ускореното движение на заряда се излъчва електромагнитна вълна, която се разпространява в пространството с крайна скорост.

Електромагнитните вълни се разпространяват в материята с крайна скорост. Тук ε и μ са диелектричните и магнитните пропускливости на веществото, ε 0 и μ 0 са електрическите и магнитните константи: ε 0 = 8,85419·10 –12 F/m, μ 0 = 1,25664·10 –6 H/m.

Скорост на електромагнитните вълни във вакуум (ε = μ = 1):

Основни характеристикиЕлектромагнитното излъчване обикновено се счита за честота, дължина на вълната и поляризация. Дължината на вълната зависи от скоростта на разпространение на радиацията. Груповата скорост на разпространение на електромагнитното лъчение във вакуум е равна на скоростта на светлината, в други среди тази скорост е по-малка.

Електромагнитното излъчване обикновено се разделя на честотни диапазони (виж таблицата). Няма резки преходи между диапазоните, понякога се припокриват, а границите между тях са произволни. Тъй като скоростта на разпространение на радиацията е постоянна, честотата на нейните трептения е строго свързана с дължината на вълната във вакуум.

Вълнова интерференция. Кохерентни вълни. Условия за вълнова кохерентност.

Дължина на оптичния път (OPL) на светлината. Връзка между разликата o.d.p. вълни с разлика във фазите на трептенията, причинени от вълните.

Амплитудата на резултантното трептене при интерференция на две вълни. Условия за максимуми и минимуми на амплитудата при интерференция на две вълни.

Интерферентни ивици и интерференчен образец върху плосък екран, когато са осветени от два тесни дълги успоредни процепа: а) червена светлина, б) бяла светлина.

1) ВЪЛНОВА ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ- такова наслагване на вълни, при което тяхното взаимно усилване, стабилно във времето, възниква в едни точки на пространството и отслабване в други, в зависимост от връзката между фазите на тези вълни.

Необходимите условияза наблюдение на смущения:

1) вълните трябва да имат еднакви (или близки) честоти, така че картината, получена от суперпозицията на вълните, да не се променя с времето (или да не се променя много бързо, за да може да бъде записана във времето);

2) вълните трябва да са еднопосочни (или да имат подобна посока); две перпендикулярни вълни никога няма да си пречат (опитайте да добавите две перпендикулярни синусоиди!). С други думи, вълните, които се добавят, трябва да имат еднакви вълнови вектори (или тясно насочени).

Наричат ​​се вълни, за които тези две условия са изпълнени СЪГЛАСУВАН. Първото условие понякога се нарича времева съгласуваност, второ - пространствена съгласуваност.

Нека разгледаме като пример резултата от добавянето на две еднакви еднопосочни синусоиди. Ще варираме само относителното им изместване. С други думи, добавяме две кохерентни вълни, които се различават само в началните си фази (или техните източници са изместени един спрямо друг, или и двете).

Ако синусоидите са разположени така, че техните максимуми (и минимуми) да съвпадат в пространството, те взаимно ще се усилват.

Ако синусоидите се изместят един спрямо друг с половин период, максимумите на единия ще паднат върху минимумите на другия; синусоидите ще се унищожат взаимно, тоест ще настъпи тяхното взаимно отслабване.

Математически това изглежда така. Добавете две вълни:

Тук х 1И х 2- разстоянието от източниците на вълни до точката в пространството, в която наблюдаваме резултата от суперпозицията. Квадратната амплитуда на получената вълна (пропорционална на интензитета на вълната) се дава от:

Максимумът на този израз е 4A 2, минимум - 0; всичко зависи от разликата в началните фази и от така наречената разлика в пътя на вълната :

Кога в дадена точка на пространството ще се наблюдава максимум на смущенията и кога - минимум на смущенията.

В нашия прост пример източниците на вълни и точката в пространството, където наблюдаваме интерференция, са на една и съща права линия; по тази линия интерференционната картина е еднаква за всички точки. Ако преместим точката на наблюдение далеч от правата линия, свързваща източниците, ще се окажем в област от пространството, където моделът на смущение се променя от точка на точка. В този случай ще наблюдаваме интерференция на вълни с равни честоти и близки вълнови вектори.

2)1. Дължината на оптичния път е произведението на геометричната дължина d на пътя на светлинна вълна в дадена среда и абсолютния индекс на пречупване на тази среда n.

2. Фазовата разлика на две кохерентни вълни от един източник, едната от които преминава дължината на пътя в среда с абсолютен индекс на пречупване, а другата - дължината на пътя в среда с абсолютен индекс на пречупване:

където , , λ е дължината на вълната на светлината във вакуум.

3) Амплитудата на резултантното трептене зависи от т.нар разлика в ходавълни

Ако разликата в пътя е равна на цяло число вълни, тогава вълните пристигат в точката във фаза. Когато се добавят, вълните се подсилват взаимно и предизвикват трептене с двойна амплитуда.

Ако разликата в пътя е равна на нечетен брой полувълни, тогава вълните пристигат в точка А в противофаза. В този случай те взаимно се компенсират, амплитудата на полученото трептене е нула.

В други точки на пространството се наблюдава частично усилване или отслабване на получената вълна.

4) Опитът на Юнг

През 1802 г. английски учен Томас Йънгпровежда експеримент, в който наблюдава интерференцията на светлината. Светлина от тесен процеп С, падна върху параван с два близко разположени процепа S 1И S 2. Преминавайки през всеки от прорезите, светлинният лъч се разширява и на белия екран светлинните лъчи преминават през процепите S 1И S 2, припокрити. В областта, където светлинните лъчи се припокриват, се наблюдава интерференчен модел под формата на редуващи се светли и тъмни ивици.

Реализиране на светлинна интерференция от конвенционални светлинни източници.

Интерференция на светлина върху тънък филм. Условия за максимална и минимална интерференция на светлина върху филм в отразена и пропусната светлина.

Интерферентни ивици с еднаква дебелина и интерферентни ивици с еднакъв наклон.

1) Феноменът на интерференция се наблюдава в тънък слой несмесващи се течности (керосин или масло на повърхността на водата), в сапунени мехури, бензин, върху крилете на пеперуди, в потъмнели цветове и др.

2) Смущение възниква, когато първоначален лъч светлина се раздели на два лъча, докато преминава през тънък филм, като филма, нанесен върху повърхността на лещите на лещите с покритие. Светлинен лъч, преминаващ през филм с дебелина, ще се отрази два пъти - от вътрешната и външната му повърхност. Отразените лъчи ще имат постоянна фазова разлика, равна на удвоената дебелина на филма, което води до кохерентност на лъчите и интерфериране. Пълното загасване на лъчите ще настъпи при , където е дължината на вълната. Ако nm, тогава дебелината на филма е 550:4 = 137,5 nm.

Връзката между електрическите и магнитните полета е забелязана от много дълго време. Тази връзка е открита още през 19 век от английския физик Фарадей и ѝ дава името. Появява се в момента, когато магнитен поток прониква през повърхността на затворена верига. След промяна на магнитния поток за определено време в тази верига се появява електрически ток.

Връзка между електромагнитна индукция и магнитен поток

Същността на магнитния поток се отразява от добре известната формула: Ф = BS cos α. В него F е магнитният поток, S е контурната повърхност (площ), B е векторът на магнитната индукция. Ъгълът α се образува поради посоката на вектора на магнитната индукция и нормалата към повърхността на веригата. От това следва, че магнитният поток ще достигне максималния праг при cos α = 1 и минималния праг при cos α = 0.

Във втория вариант вектор B ще бъде перпендикулярен на нормалата. Оказва се, че линиите на потока не пресичат контура, а само се плъзгат по неговата равнина. Следователно характеристиките ще се определят от линиите на вектор B, пресичащи повърхността на контура. За изчисления като мерна единица се използва weber: 1 wb = 1v x 1s (волт-секунда). Друга, по-малка мерна единица е максуел (μs). Това е: 1 vb = 108 μs, тоест 1 μs = 10-8 vb.

За изследванията на Фарадей са използвани две телени спирали, изолирани една от друга и поставени върху намотка от дърво. Единият от тях беше свързан към източник на енергия, а другият към галванометър, предназначен да регистрира малки токове. В момента, в който веригата на оригиналната спирала се затвори и отвори, в другата верига стрелката на измервателния уред се отклони.

Провеждане на изследвания върху явлението индукция

В първата серия от експерименти Майкъл Фарадей вкара магнетизирана метална пръчка в намотка, свързана с ток, и след това я извади (фиг. 1, 2).

1 2

Когато магнит се постави в намотка, свързана с измервателен уред, във веригата започва да тече индуциран ток. Ако магнитната лента се отстрани от бобината, индуцираният ток все още се появява, но посоката му става противоположна. Следователно параметрите на индукционния ток ще се променят в посоката на движение на пръта и в зависимост от полюса, с който е поставен в намотката. Силата на тока се влияе от скоростта на движение на магнита.

Втората серия от експерименти потвърждава явлението, при което променящ се ток в една намотка предизвиква индуциран ток в друга намотка (фиг. 3, 4, 5). Това се случва, когато веригата се затваря и отваря. Посоката на тока ще зависи от това дали електрическата верига се затваря или отваря. В допълнение, тези действия не са нищо повече от начини за промяна на магнитния поток. Когато веригата е затворена, тя ще се увеличи и когато се отвори, ще намалее, като едновременно с това ще проникне в първата намотка.

3 4

5

В резултат на експерименти беше установено, че възникването на електрически ток в затворена проводяща верига е възможно само когато те са поставени в променливо магнитно поле. В този случай потокът може да се промени във времето по всякакъв начин.

Електрическият ток, който се появява под въздействието на електромагнитна индукция, се нарича индукция, въпреки че няма да бъде ток в общоприетия смисъл. Когато затворена верига се постави в магнитно поле, се генерира емф с точна стойност, а не ток, който зависи от различни съпротивления.

Това явление се нарича индуцирана ЕДС, което се отразява по формулата: Eind = - ∆Ф/∆t. Стойността му съвпада със скоростта на промяна на магнитния поток, проникващ през повърхността на затворен контур, взет с отрицателна стойност. Минусът, присъстващ в този израз, е отражение на правилото на Ленц.

Правилото на Ленц за магнитния поток

Добре известното правило е изведено след поредица от изследвания през 30-те години на 19 век. Формулира се по следния начин:

Посоката на индукционния ток, възбуден в затворена верига от променящ се магнитен поток, влияе върху създаденото от него магнитно поле по такъв начин, че то на свой ред създава пречка за магнитния поток, причинявайки появата на индукционния ток.

Когато магнитният поток се увеличи, т.е. стане Ф > 0, а индуцираната ЕДС намалява и става Eind< 0, в результате этого появляется электроток с такой направленностью, при которой под влиянием его магнитного поля происходит изменение потока в сторону уменьшения при его прохождении через плоскость замкнутого контура.

Ако потокът намалее, тогава протича обратният процес, когато F< 0 и Еинд >0, тоест действието на магнитното поле на индукционния ток, има увеличение на магнитния поток, преминаващ през веригата.

Физическият смисъл на правилото на Ленц е да отразява закона за запазване на енергията, когато когато едно количество намалява, друго се увеличава и, обратно, когато едно количество се увеличава, другото ще намалява. Различни фактори също влияят върху индуцираната ЕДС. Когато в бобината се вкарват последователно силен и слаб магнит, съответно устройството ще покаже по-висока стойност в първия случай и по-ниска стойност във втория. Същото се случва, когато скоростта на магнита се промени.

Представената фигура показва как се определя посоката на индукционния ток с помощта на правилото на Ленц. Синият цвят съответства на линиите на магнитното поле на индуцирания ток и постоянния магнит. Те са разположени по посока на полюсите от север на юг, които се намират във всеки магнит.

Променливият магнитен поток води до появата на индуктивен електрически ток, чиято посока предизвиква противодействие от неговото магнитно поле, предотвратявайки промените в магнитния поток. В тази връзка силовите линии на магнитното поле на намотката са насочени в посока, противоположна на силовите линии на постоянния магнит, тъй като неговото движение се извършва в посоката на тази намотка.

За да определите посоката на тока, използвайте го с дясна резба. Тя трябва да бъде завинтена по такъв начин, че посоката на нейното транслационно движение да съвпада с посоката на индукционните линии на намотката. В този случай посоките на индукционния ток и въртенето на дръжката на гимлета ще съвпадат.

Магнитен поток и начини за промяната му.Феноменът на електромагнитната индукция. Закон за електромагнитната индукция. Големината на индуцираната ЕДС на движещ се проводник.

Магнитен потокФ през повърхността S е скаларна физическа величина, равна на произведението на модула на магнитната индукция от повърхността и косинуса на ъгъла между нормалата към повърхността и вектора на магнитната индукция.

Ф=ВСкос

Мерна единица - 1 Wb.

1 Wb– това е магнитен поток, който се създава от магнитно поле с индукция 1 T през плоска повърхност с площ 1 m2, разположена перпендикулярно на вектора на магнитната индукция.

Магнитният поток характеризира броя на линиите на магнитна индукция, проникващи през повърхността S.

Магнитният поток може да варирапри промяна на: 1) магнитна индукция; 2) зона на контура; 3) ъгъл , т.е. ориентация на веригата в магнитно поле.

Когато магнитният поток се променя през затворен контур, a индуциран ток. Токовият поток е възможен, ако външни сили действат върху свободните заряди. Следователно, когато магнитният поток се променя през повърхност, ограничена от затворен контур, в този контур възникват външни сили, характеризиращи се с ЕДС, наречена индуцирана емф.

Големината на индуцирания ток не зависи от причината за изменението на магнитния поток, а зависи от скоростта на изменение на магнитния поток.

Законът на Фарадей за електромагнитната индукция.

Индуцираната едс в затворен контур е равна на скоростта на промяна на потока на магнитната индукция през повърхността, ограничена от контура, взета със знака "-".

Знакът минус се обяснява с правилото на Ленц, което определя посоката на индукционния ток.

Правилото на Ленц.

Индуцираната ЕДС създава индуциран ток в затворен контур, който със своето магнитно поле има тенденция да компенсира промяната в потока на външното магнитно поле.

Причината за възникването на индуцирана ЕДС в затворен контур зависи от това как се е променил потокът.

Възникване ЕМП в движещ се проводниксе обяснява с действието на силата на Лоренц върху свободните заряди. Големината на индуцираната ЕДС на движещ се проводник е равна на

 аз = B l v грях

където B е индукцията на магнитното поле, l е дължината на проводника, v е скоростта на проводника,  е ъгълът между векторите на скоростта и магнитната индукция.

Посоката на индукционния ток във верига с движещ се проводник може да се определи с помощта на правила за дясна ръка.

Ако дясната ръка е разположена по протежение на проводника, така че линиите на магнитна индукция да влизат в дланта, а огънатият палец показва посоката на движение на проводника, тогава четири изпънати пръста ще показват посоката на индукционния ток в проводника.

Възникване ЕМП в неподвижен затворен проводник, разположен в променящо се магнитно поле, се обяснява с появата на вихрово електрическо поле.

Вихровото електрическо поле се появява при промяна на магнитното поле и съществува независимо от това дали в дадена точка на пространството има затворен проводник или не. Силовите линии на това поле са затворени.

Билет 13

Поточно свързване и индуктивност. Феноменът на самоиндукцията. Големината на самоиндукцията емф. Енергия на магнитното поле.

Електрическият ток, преминаващ през затворена верига, създава магнитно поле в околното пространство, някои от линиите на което пресичат повърхността, ограничена от същата верига. По този начин се оказва, че веригата е проникната от собствен поток. Големината на потока е пропорционална на големината на магнитната индукция, която от своя страна е пропорционална на силата на тока, протичащ през веригата. Следователно големината на потока е право пропорционална на силата на тока.

Е Ф=LI

където се нарича коефициентът на пропорционалност L индуктивност на веригата.

Индуктивността зависи от размера и формата на проводника, от магнитните свойства на средата, в която се намира проводникът.

Индуктивност– скаларна физическа величина, равна на собствения магнитен поток, проникващ във веригата, със сила на тока във веригата 1 A.

д
индуктивна единица 1 хенри.

1 H е индуктивността на верига, в която при ток от 1 A ​​магнитният поток през веригата е равен на 1 Wb.

Магнитен поток през един оборот на соленоида Ф=ВS, а след N оборота общият магнитен поток, който се нарича свързване на потокаравно на

=БС.Н.

T
точно като модула за магнитна индукция на магнитното поле вътре в соленоида

СЪС
Чрез сравняване на получения израз за възстановяване на потока и LI, получаваме формула за изчисляване на индуктивността на соленоида.

където N е броят на завоите на соленоида, S е площта на завоя, l е дължината на соленоида.

Ако токът, протичащ във веригата, започне да се променя, тогава магнитното поле, което създава, се променя и следователно магнитният поток, проникващ във веригата. Съгласно закона на Фарадей във веригата се появява индуцирана ЕДС, която се нарича Самоиндуцирана емф.

З
Символът "-" съответства на правилото на Ленц.

От това следва, че индуктивността е числено равна на самоиндуктивната ЕДС, която възниква във веригата, когато токът се промени с 1 A за 1 s.

Нека свържем веригата към източник на ток. Във веригата, поради потенциалната разлика на изходните клеми, започва движението на зарядите. Токът във веригата се увеличава. Следователно във веригата се появява ЕМП на самоиндукция, предотвратявайки увеличаването на тока. Работата на източника на ток за преодоляване на самоиндуктивната ЕДС и установяване на тока се използва за създаване на магнитно поле.

Магнитното поле, подобно на електрическото поле, е носител на енергия. Енергията на магнитното поле е равна на работата на външните сили на източника срещу ЕДС на самоиндукция.

П
Когато веригата е изключена от източника на ток, възниква самоиндуцирана ЕДС и през веригата протича индуциран ток. В резултат на отделянето на топлина на Джаул-Ленц веригата се нагрява. Следователно енергията на магнитното поле се трансформира във вътрешната енергия на проводника.

ОТНОСНО
обемна енергийна плътностсе нарича енергията, съдържаща се в единица обем