Меню

Когда возникает индукционный ток в проволочном кольце

§ 48. Явление электромагнитной индукции. —

Вопросы.

1. С какой целью ставились опыты, изображенные на рисунках 126—128? Как они проводились?

Опыты ставились с целью создания и определения условий возникновения индукционного тока. Для этого в первых двух опытах (рис.126) использовалась катушка, подключенная к гальванометру и магнит. В первом опыте двигали магнит, во втором — катушку. В третьем опыте (рис. 127) магнит заменили на вторую катушку, включенную в цепь. В четвертом и пятом (рис. 128) рамку вращали внутри магнита (а) и магнит внутри рамки (б).

2. При каком условии во всех опытах в катушке, замкнутой на гальванометр, возникал индукционный ток?

Ток возникал в случае изменения магнитного поля.

3. В чем заключается явление электромагнитной индукции?

При изменении магнитного потока, пронизывающего контур замкнутого проводника, в этом проводнике возникает электрический ток, не прекращающийся пока происходит изменение.

4. В чем важность открытия явления электромагнитной индукции?

Открытие электромагнитной индукции позволило в промышленных масштабах вырабатывать электрический ток, так как были созданы генераторы электрической энергии.

Упражнения.

1. Как создать кратковременный индукционный ток в катушке К2, изображенной на рисунке 125?

Любым способом, изменяющим силу тока в цепи и соответственно магнитный поток: 1) реостатом; 2) ключом; 3) изменением положения катушки К2.

2. Проволочное кольцо помещено в однородное магнитное поле (рис. 129). Стрелочки, изображенные рядом с кольцом, показывают, что в случаях а и б кольцо движется прямолинейно вдоль линий индукции магнитного поля, а в случаях в, г и д — вращается вокруг оси ОО’. В каких из этих случаев в кольце может возникнуть индукционный ток?

Индукционный ток возникает в случае г), т.к. при этом меняется магнитный поток пронизывающий кольцо.

Источник

§ 40. Направление индукционного тока. Правило Ленца

В предыдущем параграфе были рассмотрены опыты по получению индукционного тока и установлена причина его возникновения.

Как же направлен индукционный ток? Для ответа на этот вопрос воспользуемся прибором, изображённым на рисунке 123. Он представляет собой узкую алюминиевую пластинку с алюминиевыми кольцами на концах. Одно кольцо сплошное, другое имеет разрез. Пластинка с кольцами помещена на стойку и может свободно вращаться вокруг вертикальной оси.

При приближении к сплошному кольцу любого полюса магнита кольцо отталкивается от него

Рис. 123. При приближении к сплошному кольцу любого полюса магнита кольцо отталкивается от него

Возьмём полосовой магнит и внесём его в кольцо с разрезом — кольцо останется на месте. Если же вносить магнит в сплошное кольцо, то оно будет отталкиваться, уходить от магнита, поворачивая при этом всю пластинку. Результат будет точно таким же, если магнит будет повёрнут к кольцам не северным полюсом (как показано на рисунке), а южным. Объясним наблюдаемые явления.

При приближении к кольцу любого полюса магнита, поле которого является неоднородным, проходящий сквозь кольцо магнитный поток увеличивается (рис. 124). При этом в сплошном кольце возникает индукционный ток, а в кольце с разрезом тока не будет.

Возникновение индукционного тока в сплошном кольце при приближении к кольцу магнита

Рис. 124. Возникновение индукционного тока в сплошном кольце при приближении к кольцу магнита

Ток в сплошном кольце создаёт в пространстве магнитное поле, благодаря чему кольцо приобретает свойства магнита. Взаимодействуя с приближающимся полосовым магнитом, кольцо отталкивается от него. Из этого следует, что кольцо и магнит обращены друг к другу одноимёнными полюсами, а векторы магнитной индукции (Вк и Вм) их полей направлены в противоположные стороны (рис. 125). Зная направление вектора индукции магнитного поля кольца, можно по правилу правой руки (см. рис. 97) определить направление индукционного тока в кольце. Отодвигаясь от приближающегося к нему магнита, кольцо противодействует увеличению проходящего сквозь него внешнего магнитного потока.

Определение направления индукционного тока в кольце

Рис. 125. Определение направления индукционного тока в кольце

Теперь посмотрим, что произойдёт при уменьшении внешнего магнитного потока сквозь кольцо. Для этого, удерживая кольцо рукой, внесём в него магнит. Затем, отпустив кольцо, начнём удалять магнит. В этом случае кольцо будет следовать за магнитом, притягиваться к нему (рис. 126). Значит, кольцо и магнит обращены друг к другу разноимёнными полюсами, а векторы магнитной индукции их полей направлены в одну сторону (рис. 127). При одинаковом направлении Вк и Вм магнитное поле тока будет противодействовать уменьшению внешнего магнитного потока, проходящего сквозь кольцо.

При удалении магнита от сплошного кольца оно, притягиваясь, следует за магнитом

Рис. 126. При удалении магнита от сплошного кольца оно, притягиваясь, следует за магнитом

Направление индукционного тока в кольце меняется при изменении направления движения магнита относительно кольца

Рис. 127. Направление индукционного тока в кольце меняется при изменении направления движения магнита относительно кольца

Мы видим, что для определения направления индукционного тока прежде всего необходимо узнать, как направлен вектор магнитной индукции созданного этим током магнитного поля (в центре кольца). На основании результатов рассмотренных опытов (в одном из них внешний магнитный поток увеличивался, а в другом — уменьшался) было сформулировано правило, которое в современной формулировке звучит так:

  • возникающий в замкнутом контуре индукционный ток своим магнитным полем противодействует изменению внешнего магнитного потока, которое вызвало этот ток
Читайте также:  В чем измеряется величина тока проходящего через человека

Данное правило было установлено в 1834 г. российским учёным Эмилием Христиановичем Ленцем, в связи с чем называется правилом Ленца.

Источник

Электромагнитная индукция

Явление электромагнитной индукции

Электромагнитная индукция – явление возникновения тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего его.

Явление электромагнитной индукции было открыто М. Фарадеем.

  • На одну непроводящую основу были намотаны две катушки: витки первой катушки были расположены между витками второй. Витки одной катушки были замкнуты на гальванометр, а второй – подключены к источнику тока. При замыкании ключа и протекании тока по второй катушке в первой возникал импульс тока. При размыкании ключа также наблюдался импульс тока, но ток через гальванометр тек в противоположном направлении.
  • Первая катушка была подключена к источнику тока, вторая, подключенная к гальванометру, перемещалась относительно нее. При приближении или удалении катушки фиксировался ток.
  • Катушка замкнута на гальванометр, а магнит движется – вдвигается (выдвигается) – относительно катушки.

Опыты показали, что индукционный ток возникает только при изменении линий магнитной индукции. Направление тока будет различно при увеличении числа линий и при их уменьшении.

Сила индукционного тока зависит от скорости изменения магнитного потока. Может изменяться само поле, или контур может перемещаться в неоднородном магнитном поле.

Объяснения возникновения индукционного тока

Ток в цепи может существовать, когда на свободные заряды действуют сторонние силы. Работа этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль замкнутого контура равна ЭДС. Значит, при изменении числа магнитных линий через поверхность, ограниченную контуром, в нем появляется ЭДС, которую называют ЭДС индукции.

Электроны в неподвижном проводнике могут приводиться в движение только электрическим полем. Это электрическое поле порождается изменяющимся во времени магнитным полем. Его называют вихревым электрическим полем. Представление о вихревом электрическом поле было введено в физику великим английским физиком Дж. Максвеллом в 1861 году.

Свойства вихревого электрического поля:

  • источник – переменное магнитное поле;
  • обнаруживается по действию на заряд;
  • не является потенциальным;
  • линии поля замкнутые.

Работа этого поля при перемещении единичного положительного заряда по замкнутому контуру равна ЭДС индукции в неподвижном проводнике.

Магнитный поток

Магнитным потоком через площадь ​ \( S \) ​ контура называют скалярную физическую величину, равную произведению модуля вектора магнитной индукции ​ \( B \) ​, площади поверхности ​ \( S \) ​, пронизываемой данным потоком, и косинуса угла ​ \( \alpha \) ​ между направлением вектора магнитной индукции и вектора нормали (перпендикуляра к плоскости данной поверхности):

Обозначение – ​ \( \Phi \) ​, единица измерения в СИ – вебер (Вб).

Магнитный поток в 1 вебер создается однородным магнитным полем с индукцией 1 Тл через поверхность площадью 1 м 2 , расположенную перпендикулярно вектору магнитной индукции:

Магнитный поток можно наглядно представить как величину, пропорциональную числу магнитных линий, проходящих через данную площадь.

В зависимости от угла ​ \( \alpha \) ​ магнитный поток может быть положительным ( \( \alpha \) \( \alpha \) > 90°). Если \( \alpha \) = 90°, то магнитный поток равен 0.

Изменить магнитный поток можно меняя площадь контура, модуль индукции поля или расположение контура в магнитном поле (поворачивая его).

В случае неоднородного магнитного поля и неплоского контура магнитный поток находят как сумму магнитных потоков, пронизывающих площадь каждого из участков, на которые можно разбить данную поверхность.

Закон электромагнитной индукции Фарадея

Закон электромагнитной индукции (закон Фарадея):

ЭДС индукции в замкнутом контуре равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром:

Знак «–» в формуле позволяет учесть направление индукционного тока. Индукционный ток в замкнутом контуре имеет всегда такое направление, чтобы магнитный поток поля, созданного этим током сквозь поверхность, ограниченную контуром, уменьшал бы те изменения поля, которые вызвали появление индукционного тока.

Если контур состоит из ​ \( N \) ​ витков, то ЭДС индукции:

Сила индукционного тока в замкнутом проводящем контуре с сопротивлением ​ \( R \) ​:

При движении проводника длиной ​ \( l \) ​ со скоростью ​ \( v \) ​ в постоянном однородном магнитном поле с индукцией ​ \( \vec \) ​ ЭДС электромагнитной индукции равна:

где ​ \( \alpha \) ​ – угол между векторами ​ \( \vec \) ​ и \( \vec \) .

Возникновение ЭДС индукции в движущемся в магнитном поле проводнике объясняется действием силы Лоренца на свободные заряды в движущихся проводниках. Сила Лоренца играет в этом случае роль сторонней силы.

Читайте также:  Трансформатор тока 110кв элегазовый

Движущийся в магнитном поле проводник, по которому протекает индукционный ток, испытывает магнитное торможение. Полная работа силы Лоренца равна нулю.

Количество теплоты в контуре выделяется либо за счет работы внешней силы, которая поддерживает скорость проводника неизменной, либо за счет уменьшения кинетической энергии проводника.

Важно!
Изменение магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур, может происходить по двум причинам:

  • магнитный поток изменяется вследствие перемещения контура или его частей в постоянном во времени магнитном поле. Это случай, когда проводники, а вместе с ними и свободные носители заряда, движутся в магнитном поле;
  • вторая причина изменения магнитного потока, пронизывающего контур, – изменение во времени магнитного поля при неподвижном контуре. В этом случае возникновение ЭДС индукции уже нельзя объяснить действием силы Лоренца. Явление электромагнитной индукции в неподвижных проводниках, возникающее при изменении окружающего магнитного поля, также описывается формулой Фарадея.

Таким образом, явления индукции в движущихся и неподвижных проводниках протекают одинаково, но физическая причина возникновения индукционного тока оказывается в этих двух случаях различной:

  • в случае движущихся проводников ЭДС индукции обусловлена силой Лоренца;
  • в случае неподвижных проводников ЭДС индукции является следствием действия на свободные заряды вихревого электрического поля, возникающего при изменении магнитного поля.

Правило Ленца

Направление индукционного тока определяется по правилу Ленца: индукционный ток, возбуждаемый в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, всегда направлен так, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызывающего индукционный ток.

Алгоритм решения задач с использованием правила Ленца:

  • определить направление линий магнитной индукции внешнего магнитного поля;
  • выяснить, как изменяется магнитный поток;
  • определить направление линий магнитной индукции магнитного поля индукционного тока: если магнитный поток уменьшается, то они сонаправлены с линиями внешнего магнитного поля; если магнитный поток увеличивается, – противоположно направлению линий магнитной индукции внешнего поля;
  • по правилу буравчика, зная направление линий индукции магнитного поля индукционного тока, определить направление индукционного тока.

Правило Ленца имеет глубокий физический смысл – оно выражает закон сохранения энергии.

Самоиндукция

Самоиндукция – это явление возникновения ЭДС индукции в проводнике в результате изменения тока в нем.

При изменении силы тока в катушке происходит изменение магнитного потока, создаваемого этим током. Изменение магнитного потока, пронизывающего катушку, должно вызывать появление ЭДС индукции в катушке.

В соответствии с правилом Ленца ЭДС самоиндукции препятствует нарастанию силы тока при включении и убыванию силы тока при выключении цепи.

Это приводит к тому, что при замыкании цепи, в которой есть источник тока с постоянной ЭДС, сила тока устанавливается через некоторое время.

При отключении источника ток также не прекращается мгновенно. Возникающая при этом ЭДС самоиндукции может превышать ЭДС источника.

Явление самоиндукции можно наблюдать, собрав электрическую цепь из катушки с большой индуктивностью, резистора, двух одинаковых ламп накаливания и источника тока. Резистор должен иметь такое же электрическое сопротивление, как и провод катушки.

Опыт показывает, что при замыкании цепи электрическая лампа, включенная последовательно с катушкой, загорается несколько позже, чем лампа, включенная последовательно с резистором. Нарастанию тока в цепи катушки при замыкании препятствует ЭДС самоиндукции, возникающая при возрастании магнитного потока в катушке.

При отключении источника тока вспыхивают обе лампы. В этом случае ток в цепи поддерживается ЭДС самоиндукции, возникающей при убывании магнитного потока в катушке.

ЭДС самоиндукции ​ \( \varepsilon_ \) ​, возникающая в катушке с индуктивностью ​ \( L \) ​, по закону электромагнитной индукции равна:

ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна индуктивности катушки и скорости изменения силы тока в катушке.

Индуктивность

Электрический ток, проходящий по проводнику, создает вокруг него магнитное поле. Магнитный поток ​ \( \Phi \) ​ через контур из этого проводника пропорционален модулю индукции ​ \( \vec \) ​ магнитного поля внутри контура, а индукция магнитного поля, в свою очередь, пропорциональна силе тока в проводнике.

Следовательно, магнитный поток через контур прямо пропорционален силе тока в контуре:

Индуктивность – коэффициент пропорциональности ​ \( L \) ​ между силой тока ​ \( I \) ​ в контуре и магнитным потоком ​ \( \Phi \) ​, создаваемым этим током:

Индуктивность зависит от размеров и формы проводника, от магнитных свойств среды, в которой находится проводник.

Единица индуктивности в СИ – генри (Гн). Индуктивность контура равна 1 генри, если при силе постоянного тока 1 ампер магнитный поток через контур равен 1 вебер:

Можно дать второе определение единицы индуктивности: элемент электрической цепи обладает индуктивностью в 1 Гн, если при равномерном изменении силы тока в цепи на 1 ампер за 1 с в нем возникает ЭДС самоиндукции 1 вольт.

Читайте также:  Форд стартер пусковой ток

Энергия магнитного поля

При отключении катушки индуктивности от источника тока лампа накаливания, включенная параллельно катушке, дает кратковременную вспышку. Ток в цепи возникает под действием ЭДС самоиндукции.

Источником энергии, выделяющейся при этом в электрической цепи, является магнитное поле катушки.

Для создания тока в контуре с индуктивностью необходимо совершить работу на преодоление ЭДС самоиндукции. Энергия магнитного поля тока вычисляется по формуле:

Основные формулы раздела «Электромагнитная индукция»

Алгоритм решения задач по теме «Электромагнитная индукция»:

1. Внимательно прочитать условие задачи. Установить причины изменения магнитного потока, пронизывающего контур.

2. Записать формулу:

  • закона электромагнитной индукции;
  • ЭДС индукции в движущемся проводнике, если в задаче рассматривается поступательно движущийся проводник; если в задаче рассматривается электрическая цепь, содержащая источник тока, и возникающая на одном из участков ЭДС индукции, вызванная движением проводника в магнитном поле, то сначала нужно определить величину и направление ЭДС индукции. После этого задача решается по аналогии с задачами на расчет цепи постоянного тока с несколькими источниками.

3. Записать выражение для изменения магнитного потока и подставить в формулу закона электромагнитной индукции.

4. Записать математически все дополнительные условия (чаще всего это формулы закона Ома для полной цепи, силы Ампера или силы Лоренца, формулы кинематики и динамики).

5. Решить полученную систему уравнений относительно искомой величины.

Источник



Когда возникает индукционный ток в проволочном кольце

1. Для чего проводился опыт магнита с кольцом?

Чтобы определить, как направлен индукционный ток в кольце.

а) При приближении к сплошному кольцу любого полюса магнита свободно вращающееся на игле кольцо отталкивается от него.
Почему?
При приближении к кольцу любого полюса магнита, поле которого является неоднородным, проходящий сквозь кольцо магнитный поток меняется (здесь увеличивается, т.е. увеличивается густота магнитных линий).

В сплошном кольце возникает индукционный ток, который создает вокруг собственное магнитное поле.
Кольцо становится магнитом.
Взаимодействуя с приближающимся полосовым магнитом, кольцо отталкивается от него.

б) При удалении магнита от сплошного кольца оно, притягиваясь, следует за магнитом.
Почему?
При удалении от кольца любого полюса магнита, поле которого является неоднородным, проходящий сквозь кольцо магнитный поток меняется (здесь уменьшается).
Возникающий в сплошном кольце индукционный ток создает вокруг собственное магнитное поле.
Кольцо становится магнитом.
Взаимодействуя с удаляющимся полосовым магнитом, кольцо притягивается к нему.

В обоих случаях мы наблюдаем взаимодействия двух магнитов: полосового магнита и магнита-кольца.
Очевидно, у кольца-магнита в этих опытах меняются магнитные полюсы.

2. Почему кольцо с разрезом не реагирует на приближение магнита?

Индукционный ток в кольце с разрезом возникнуть не может, так как эта электрическая цепь разомкнута.

3. Как объяснить явления, происходящие при приближении магнита к сплошному кольцу; при удалении магнита?

а) При приближении магнита к кольцу они отталкиваются.
Значит кольцо и магнит обращены друг к другу одноименными полюсами.
А векторы магнитной индукции их полей направлены противоположно друг другу.
Магнитное поле индукционного тока кольца будет противодействовать увеличению магнитного потока полосового магнита, проходящего сквозь кольцо.
Кольцо будет отталкиваться от магнита.

б) При удалении магнита от кольца они притягиваются.
Значит кольцо и магнит обращены друг к другу разноименными полюсами.
Это возможно, когда вектора магнитной индукции их полей направлены одинаково.
Магнитное поле индукционного тока кольца будет противодействовать уменьшению внешнего магнитного потока полосового магнита.
Кольцо будет притягиваться к магниту.

4. Как определить направление индукционного тока в кольце?

Для определения направления индукционного тока прежде всего необходимо знать, как направлен вектор магнитной индукции (направление магнитных линий) созданного этим током магнитного поля (в центре кольца).

Направление индукционного тока в кольце можно определить с помощью правила правой руки:

Если обхватить соленоид ладонью правой руки, направив четыре пальца по направлению тока в витках, то отставленный большой палец покажет направление линий магнитного поля внутри соленоида.

. Правило правой руки можно применять не только для катушки (соленоида), но и для определения направления линий магнитного поля в центре одиночного витка с током.
Можно использовать и обратную задачу, т.е. зная направление линий магнитного поля, можно опредилить направление тока в этом витке с током.

Если отставленный большой палец направить по известному уже направлению линий магнитного поля внутри витка (кольца), то четыре пальца, обхватывающие виток (кольцо), укажут направление индукционного тока в витке (кольце).

Правило правой руки применяем дважды:
— для случая приближения магнита к кольцу,
— для случая удаления магнита от кольца.

5. Как сформулировать правило Ленца?

Возникающий в замкнутом контуре индукционный ток своим магнитным полем противодействует изменению внешнего магнитного потока, которое вызвало этот ток.

Источник