Електромагнітна індукція. Магнітний потік - Гіпермаркет знань

Магнітний потік (потік ліній магнітної індукції) через контур чисельно дорівнює добутку модуля вектора магнітної індукції на площу, обмежену контуром, і на косинус кута між напрямком вектора магнітної індукції і нормаллю до поверхні, обмеженою цим контуром.

Формула роботи сили Ампера при русі прямого провідника з постійним струмом в однорідному магнітному полі.

Таким чином, робота сили Ампера може бути виражена через силу струму в переміщуваний провіднику і зміна магнітного потоку через контур, до якого включено цей провідник:

Індуктивність контуру.

індуктивність - фіз. величина, що чисельно дорівнює ЕРС самоіндукції, що виникає в контурі при зміні сили струму на 1Ампер за 1 секунду.
Також індуктивність можна розрахувати за формулою:

де Ф - магнітний потік через контур, I - сила струму в контурі.

Одиниці виміру індуктивності в системі СІ:

енергія магнітного поля.

Магнітне поле має енергію. Подібно до того, як в зарядженому конденсаторі є запас електричної енергії, в котушці, по витків якої протікає струм, є запас магнітної енергії.

Електромагнітна індукція.

Електромагнітна індукція - явище виникнення електричного струму в замкнутому контурі при зміні магнітного потоку, що проходить через нього.

Досліди Фарадея. Пояснення електромагнітної індукції.

Якщо підносити постійний магніт до котушки або навпаки (рис.3.1), то в котушці виникне електричний струм. Те ж саме відбувається з двома близько розташованими котушками: якщо до однієї з котушок підключити джерело змінного струму, то в інший також виникне змінний струм, але краще за все цей ефект проявляється, якщо дві котушки з'єднати сердечником

За визначенням Фарадея загальним для цих дослідів є наступне: якщо потік вектора індукції, що пронизує замкнутий, проводить контур, змінюється, то в контурі виникає електричний струм.

Це явище називають явищем електромагнітної індукції , А струм - індукційним. При цьому явище абсолютно не залежить від способу зміни потоку вектора магнітної індукції.

Формула е.р.с. електромагнітної індукції.

ЕРС індукції в замкнутому контурі прямо пропорційна швидкості зміни магнітного потоку через площу, обмежену цим контуром.

Правило Ленца.

правило Ленца

Виникає в замкнутому контурі індукційний струм своїм магнітним полем протидіє зміні магнітного потоку, яким він викликаний.

Самоіндукція, її пояснення.

самоіндукція - явище виникнення ЕРС індукції в ел.цепі в результаті зміни сили струму.

замикання ланцюга
При замиканні в ел.цепі наростає струм, що викликає в котушці збільшення магнітного потоку, виникає вихровий ел.поле, спрямоване проти струму, тобто в котушці виникає ЕРС самоіндукції, що перешкоджає наростанню струму в ланцюзі (вихровий поле гальмує електрони).
В результаті Л1 загоряється пізніше, ніж Л2.

розмикання ланцюга
При розмиканні ел.цепі ток убуває, виникає зменшення м.потока в котушці, виникає вихровий ел.поле, спрямоване як струм (що прагне зберегти колишню силу струму), тобто в котушці виникає ЕРС самоіндукції, що підтримує струм в ланцюзі.
В результаті Л при виключенні яскраво спалахує.

в електротехніці явище самоіндукції проявляється при замиканні ланцюга (ел.ток наростає поступово) і при розмиканні ланцюга (ел.ток пропадає не відразу).

Формула е.р.с. самоіндукції.

ЕРС самоіндукції перешкоджає наростанню сили струму при включенні ланцюга і зменшенням сили струму при розмиканні ланцюга.

Перше і друге положення теорії електромагнітного поля Максвелла.

1. Будь-яке переміщене електричне поле породжує вихрове магнітне поле. Змінне електричне поле було названо Максвеллом, так як воно, як звичайний току, викликає магнітне поле. Вихровий магнітне поле породжується як струмами провідності Іпр (рухомими електричними зарядами), так і струмами зміщення (переміщеним електричним полем Е).

Перше рівняння Максвелла

2. Будь-яке переміщене магнітне поле породжує вихрове електричне (основний закон електромагнітної індукції).

Друге рівняння Максвелла:

Електромагнітне випромінювання.

Електромагнітні хвилі, електромагнітне випромінювання- розповсюджується в просторі обурення (зміна стану) електромагнітного поля.

3.1. хвиля - це коливання, що поширюються в просторі протягом часу.
Механічні хвилі можуть поширюватися тільки в якій-небудь середовищі (речовині): в газі, в рідині, в твердому тілі. Джерелом хвиль є хиткі тіла, які створюють в навколишньому просторі деформацію середовища. Необхідною умовою для появи пружних хвиль є виникнення в момент обурення середовища перешкоджають йому сил, зокрема, пружності. Вони прагнуть зблизити сусідні частинки, коли вони розходяться, і відштовхнути їх один від одного в момент зближення. Сили пружності, діючи на віддалені від джерела обурення частки, починають виводити їх з рівноваги. поздовжні хвилі характерні тільки газоподібним і рідким середах, а ось поперечні - також і твердих тіл: причина цього полягає в тому, що частинки, що становлять дані середовища, можуть вільно переміщатися, так як жорстко не зафіксовані, на відміну від твердих тіл. Відповідно, поперечні коливання принципово неможливі.

Поздовжні хвилі виникають тоді, коли частки середовища коливаються, орієнтуючись вздовж вектора поширення обурення. Поперечні хвилі поширюються в перпендикулярному вектору впливу напрямку. Коротше: якщо в середовищі деформація, викликана обуренням, проявляється у вигляді зсуву, розтягування і стиснення, то мова йде про твердому тілі, для якого можливі як поздовжні, так і поперечні хвилі. Якщо ж поява зсуву неможливо, то середовище може бути будь-хто.

Кожна хвиля поширюється з якоюсь швидкістю. під швидкістю хвилі розуміють швидкість поширення обурення. Оскільки швидкість хвилі - величина постійна (для даної середовища), то пройдене хвилею відстань дорівнює добутку швидкості на час її поширення. Таким чином, щоб знайти довжину хвилі, треба швидкість хвилі помножити на період коливань в ній:

Довжина хвилі - відстань між двома найближчими друг до друга точками в просторі, в яких коливання відбуваються в однаковій фазі. Довжина хвилі відповідає просторовому періоду хвилі, тобто відстані, яку точка з постійною фазою «проходить» за інтервал часу, рівний періоду коливань, тому

хвильове число (Також зване просторової частотою) - це відношення 2 π радіан до довжини хвилі: просторовий аналог кругової частоти.

визначення: Хвильовим числом k називається швидкість росту фази хвилі φ по просторовій координаті.

3.2. плоска хвиля - хвиля, фронт якої має форму площини.

Фронт плоскої хвилі необмежений за розмірами, вектор фазової швидкості перпендикулярний фронту. Плоска хвиля є приватним рішенням хвильового рівняння і зручною моделлю: така хвиля в природі не існує, так як фронт плоскої хвилі починається в і закінчується в, чого, очевидно, бути не може.

Рівняння будь-якої хвилі є рішенням диференціального рівняння, званого хвильовим. Хвильове рівняння для функції записується у вигляді:

де

· - оператор Лапласа;

· - шукана функція;

· - радіус вектора шуканої точки;

· - швидкість хвилі;

· - час.

хвильова поверхня - геометричне місце точок, які відчувають обурення узагальненої координати в однаковій фазі. Окремий випадок хвильової поверхні - хвильовий фронт.

А) плоска хвиля - це хвиля, хвильові поверхні якої є сукупністю паралельних один одному площин.

Б) сферична хвиля - це хвиля, хвильові поверхні якої є сукупністю концентричних сфер.

Луч - лінія, нормальної і хвильової поверхні. Під напрямком поширення хвиль розуміють напрямок променів. Якщо середовище поширення хвилі однорідна і ізотропна, промені прямі (причому, якщо хвиля плоска - паралельні прямі).

Поняттям промінь у фізиці зазвичай користуються тільки в геометричній оптиці і акустиці, так як при прояві ефектів, які не вивчаються в даних напрямках, сенс поняття промінь втрачається.

3.3. Енергетичні характеристики хвилі

Середовище, в якому поширюється хвиля, володіє механічною енергією, що складається з енергій коливального руху всіх її частинок. Енергія однієї частки з масою m 0 знаходиться за формулою: Е 0 \u003d m 0 Α 2 ω 2/2. У одиниці об'єму середовища міститься n \u003d p/ M 0 частинок (ρ - щільність середовища). Тому одиниця обсягу середовища має енергію w р \u003d Nе 0 \u003d ρ Α 2 ω 2 /2.

Густина енергії (W р) - енергія коливального руху частинок середовища, що містяться в одиниці її об'єму:

потік енергії (Ф) - величина, що дорівнює енергії, яку переносять хвилею через дану поверхню за одиницю часу:

Інтенсивність хвилі або щільність потоку енергії (I) - величина, що дорівнює потоку енергії, яку переносять хвилею через одиничну площадку, перпендикулярну напрямку поширення хвилі:

3.4. електромагнітна хвиля

електромагнітна хвиля - процес поширення електромагнітного поля в просторі.

Умова виникнення електромагнітних хвиль. Зміни магнітного поля відбуваються при зміні сили струму в провіднику, а сила струму в провіднику змінюється при зміні швидкості руху електричних зарядів в ньому, т. Е. При русі зарядів з прискоренням. Отже, електромагнітні хвилі повинні виникати при прискореному русі електричних зарядів. При швидкості заряду, що дорівнює нулю, існує тільки електричне поле. При постійній швидкості заряду виникає електромагнітне поле. При прискореному русі заряду відбувається випромінювання електромагнітної хвилі, яка поширюється в просторі з кінцевою швидкістю.

Електромагнітні хвилі поширюються в речовині з кінцевою швидкістю. Тут ε і μ - діелектрична і магнітна проникності речовини, ε 0 і μ 0 - електрична і магнітна постійні: ε 0 \u003d 8,85419 · 10 -12 Ф / м, μ 0 \u003d 1,25664 · 10 -6 Гн / м.

Швидкість електромагнітних хвиль у вакуумі (ε \u003d μ \u003d 1):

основними характеристиками електромагнітного випромінювання прийнято вважати частоту, довжину хвилі і поляризацію. Довжина хвилі залежить від швидкості поширення випромінювання. Групова швидкість поширення електромагнітного випромінювання у вакуумі дорівнює швидкості світла, в інших середовищах ця швидкість менше.

Електромагнітне випромінювання прийнято ділити по частотах діапазонів (див. Таблицю). Діапазонів немає різких переходів, вони іноді перекриваються, а кордони між ними умовні. Оскільки швидкість поширення випромінювання постійна, то частота його коливань жорстко пов'язана з довжиною хвилі в вакуумі.

Інтерференція хвиль. Когерентні хвилі. Умови когерентності хвиль.

Оптична довжина шляху (о.д.п.) світла. Зв'язок різниці о.д.п. хвиль з різницею фаз коливань, що викликаються хвилями.

Амплітуда результуючого коливання при інтерференції двох хвиль. Умови максимумів і мінімумів амплітуди при інтерференції двох хвиль.

Інтерференційні смуги і інтерференційна картина на плоскому екрані при висвітленні двох вузьких довгих паралельних щілин: а) червоним світлом, б) білим світлом.

1) ІНТЕРФЕРЕНЦІЯ хвиль - таке накладення хвиль, при якому відбувається стійке в часі їх взаємне посилення в одних точках простору і ослаблення в інших, в залежності від співвідношення між фазами цих хвиль.

Необхідні умови для спостереження інтерференції:

1) хвилі повинні мати однакові (або близькі) частоти, щоб картина, що виходить в результаті накладення хвиль, не змінювалася в часі (або змінювалася не дуже швидко, що б її можна було встигнути зареєструвати);

2) хвилі повинні бути односпрямованим (або мати близьке напрямок); дві перпендикулярні хвилі ніколи не дадуть інтерференції (спробуйте скласти дві перпендикулярні синусоїди!). Іншими словами, складаються хвилі повинні мати однакові хвильові вектори (або блізконаправленние).

Хвилі, для яких виконуються ці дві умови, називаються когерентність. Перша умова іноді називають тимчасової когерентністю, друге - просторової когерентністю.

Розглянемо як приклад результат складання двох однакових односпрямованих синусоид. Варіювати будемо тільки їх відносне зрушення. Іншими словами, ми складаємо дві когерентні хвилі, які відрізняються тільки початковими фазами (або їх джерела зрушені один щодо одного, або те й інше разом).

Якщо синусоїди розташовані так, що їх максимуми (і мінімуми) збігаються в просторі, відбудеться їх взаємне посилення.

Якщо ж синусоїди зрушені один щодо одного на полперіода, максимуми однієї припадуть на мінімуми інший; синусоїди знищать один одного, тобто відбудеться їх взаємне ослаблення.

Математично це виглядає так. Складаємо дві хвилі:

тут х 1 і х 2 - відстані від джерел хвиль до точки простору, в якій ми спостерігаємо результат накладення. Квадрат амплітуди результуючої хвилі (пропорційний інтенсивності хвилі) дається виразом:

Максимум цього виразу є 4A 2, Мінімум - 0; все залежить від різниці початкових фаз і від так званої різниці ходу хвиль :

При в даній точці простору буде спостерігатися інтерференційний максимум, при - інтерференційний мінімум.

У нашому простому прикладі джерела хвиль і точка простору, де ми спостерігаємо інтерференцію, знаходяться на одній прямій; вздовж цієї прямої інтерференційна картина для всіх точок однакова. Якщо ж ми зрушимо точку спостереження в сторону від прямої, що з'єднує джерела, ми потрапимо в область простору, де інтерференційна картина змінюється від точки до точки. У цьому випадку ми будемо спостерігати інтерференцію хвиль з рівними частотами і близькими хвильовими векторами.

2) 1. Оптичною довжиною шляху називається твір геометричній довжини d шляху світлової хвилі в даному середовищі на абсолютний показник заломлення цього середовища n.

2. Різниця фаз двох когерентних хвиль від одного джерела, одна з яких проходить довжину шляху в середовищі з абсолютним показником заломлення, а інша - довжину шляху в середовищі з абсолютним показником заломлення:

де,, λ - довжина хвилі світла у вакуумі.

3) Амплітуда результуючого коливання залежить від величини, званої різницею ходу хвиль.

Якщо різниця ходу дорівнює цілому числу хвиль, то хвилі приходять в точку синфазно. Складаючись, хвилі підсилюють одна одну і дають коливання з подвоєною амплітудою.

Якщо різниця ходу дорівнює непарному числу півхвиль, то хвилі приходять в точку А в протифазі. У цьому випадку вони гасять один одного, амплітуда результуючого коливання дорівнює нулю.

В інших точках простору спостерігається часткове посилення або ослаблення результуючої хвилі.

4) Досвід Юнга

У 1802 р англійський учений Томас Юнг поставив досвід, в якому спостерігав інтерференцію світла. Світло з вузької щілини S, Падав на екран з двома близько розташованими щілинами S 1 і S 2. Проходячи через кожну з щілин, світловий пучок розширювався, і на білому екрані світлові пучки, що пройшли через щілини S 1 і S 2, Перекривалися. В області перекриття світлових пучків спостерігалася інтерференційна картина у вигляді чергуються світлих і темних смуг.

Здійснення інтерференції світла від звичайних джерел світла.

Інтерференція світла на тонкій плівці. Умови максимумів і мінімумів інтерференції світла на плівці в відбитому і в світлі, що проходить.

Інтерференційні смуги рівної товщини і інтерференційні смуги рівного нахилу.

1) Явище інтерференції спостерігається в тонкому шарі, що не змішуються рідин (гасу або масла на поверхні води), в мильних бульбашках, бензині, на крилах метеликів, в кольорах мінливості, і т. Д.

2) інтерференція виникає при поділі первинного променя світла на два промені при його проходженні через тонку плівку, наприклад плівку, що наноситься на поверхню лінз у просветлённихоб'ектівов. Промінь світла, проходячи через плівку завтовшки, відіб'ється двічі - від внутрішньої і зовнішньої її поверхонь. Відбиті промені будуть мати постійну різницю фаз, що дорівнює подвоєною товщині плівки, чому промені стають когерентними і будуть интерферировать. Повний гасіння променів відбудеться при, де - довжина хвилі. якщо нм, то товщина плівки дорівнює 550: 4 \u003d 137,5 нм.

Потоком вектора магнітної індукції В (магнітним потоком) Через малу поверхню площею dS називається скалярна фізична величина, що дорівнює

Тут, - одиничний вектор нормалі до площадки площею dS, В n - проекція вектора В на напрям нормалі, - кут між векторами В і n (Рис. 6.28).

Мал. 6.28. Потік вектора магнітної індукції через майданчик

Магнітний потік Ф B через довільну замкнуту поверхню S дорівнює

Відсутність в природі магнітних зарядів призводить до того, що лінії вектора В не мають ні початку, ні кінця. Тому потік вектора В через замкнуту поверхню має дорівнювати нулю. Таким чином, для будь-якого магнітного поля і довільної замкненої поверхні S виконується умова

Формула (6.28) виражає теорему Остроградського - Гаусса для вектора :

Підкреслимо ще раз: ця теорема є математичним виразом того факту, що в природі відсутні магнітні заряди, на яких починалися б і закінчувалися лінії магнітної індукції, як це мало місце у випадку напруженості електричного поля Е точкових зарядів.

Це властивість істотно відрізняє магнітне поле від електричного. Лінії магнітної індукції замкнені, тому число ліній, що входять в певний обсяг простору, дорівнює числу ліній, що виходять з цього обсягу. Якщо вхідні потоки брати з одним знаком, а виходять - з іншим, то сумарний потік вектора магнітної індукції через замкнену поверхню дорівнюватиме нулю.

Мал. 6.29. В. Вебер (1804-1891) - німецький фізик

Відмінність магнітного поля від електростатичного проявляється також у значенні величини, яку ми називаємо циркуляцією - інтеграла від векторного поля по замкнутому шляху. У електростатики дорівнює нулю інтеграл

взятий за довільним замкнутому контуру. Це пов'язано з потенційністю електростатичного поля, тобто з тим фактом, що робота по переміщенню заряду в електростатичному полі не залежить від шляху, але лише від положення початкової і кінцевої точок.

Подивимося, як йде справа з аналогічною величиною для магнітного поля. Візьмемо замкнутий контур, що охоплює прямий струм, і обчислимо для нього циркуляцію вектора В , тобто

Як було отримано вище, магнітна індукція, створювана прямолінійним провідником зі струмом на відстані R від провідника, дорівнює

Розглянемо випадок, коли контур, що охоплює прямий струм, лежить в площині, перпендикулярній току, і являє собою коло радіусом R з центром на провіднику. В цьому випадку циркуляція вектора В по цій окружності дорівнює

Можна показати, що результат для циркуляції вектора магнітної індукції не змінюється при безперервної деформації контуру, якщо при цій деформації контур не перетинає ліній струму. Тоді в силу принципу суперпозиції циркуляція вектора магнітної індукції по шляху, що охоплює кілька струмів, пропорційна їх алгебраїчній сумі (рис. 6.30)

Мал. 6.30. Замкнутий контур (L) з заданим напрямом обходу.
Зображені струми I 1, I 2 і I 3, створюють магнітне поле.
Внесок в циркуляцію магнітного поля уздовж контуру (L) дають тільки струми I 2 і I 3

Якщо обраний контур не охоплюють струмів, то циркуляція по ньому дорівнює нулю.

При обчисленні алгебраїчної суми струмів слід враховувати знак струму: позитивним будемо вважати струм, напрямок якого пов'язано з напрямком обходу по контуру правилом правого гвинта. Наприклад, вклад струму I 2 в циркуляцію - негативний, а внесок струму I 3 - позитивний (рис. 6.18). скориставшись співвідношенням

між силою струму I через будь-яку замкнену поверхню S і щільністю струму, для циркуляції вектора В можна записати

де S - будь-яка замкнута поверхня, яка спирається на даний контур L.

Такі поля називаються вихровими. Тому для магнітного поля можна ввести потенціал, як це було зроблено для електричного поля точкових зарядів. Найбільш наочно різницю потенційного і вихрового полів можна уявити по картині силових ліній. Силові лінії електростатичного поля схожі на їжаків: вони починаються і закінчуються на зарядах (або йдуть в нескінченність). Силові лінії магнітного поля ніколи не нагадують «їжаків»: вони завжди замкнені і охоплюють поточні струми.

Для ілюстрації застосування теореми про циркуляцію знайдемо іншим методом вже відоме нам магнітне поле нескінченного соленоїда. Візьмемо прямокутний контур 1-2-3-4 (рис. 6.31) і обчислимо циркуляцію вектора В по цьому контуру

Мал. 6.31. Застосування теореми про циркуляцію В до визначення магнітного поля соленоїда

Другий і четвертий інтеграли дорівнюють нулю в силу перпендикулярності векторів і

Ми відтворили результат (6.20) без інтегрування магнітних полів від окремих витків.

Отриманий результат (6.35) можна використовувати для знаходження магнітного поля тонкого тороїдального соленоїда (ріс.6.32).

Мал. 6.32. Тороїдальна котушка: лінії магнітної індукції замикаються всередині котушки і являють собою концентричні кола. Вони спрямовані так, що дивлячись вздовж них, ми побачили б ток в витках, що циркулює за годинниковою стрілкою. Одна з ліній індукції деякого радіуса r 1 ≤ r< r 2 изображена на рисунке

Магнітними матеріалами є ті, які великою мірою залежать особливих силових полів, в свою чергу, немагнітні матеріали не схильні до або слабо схильні до силам магнітного поля, яке прийнято представляти за допомогою силових ліній (магнітний потік), що володіють певними властивостями. Крім того що вони завжди утворюють замкнуті петлі, вони ведуть себе так, ніби є еластичними, тобто під час спотворення намагаються повернутися в колишнє відстань і в свою природну форму.

невидима сила

Магніти мають властивість притягувати до себе деякі метали, особливо залізо і сталь, а також нікель, сплави нікелю, хрому та кобальту. Матеріали, що створюють сили тяжіння, є магнітами. Існують різні їх типи. Матеріали, які можуть легко намагнічуватися, називаються феромагнітними. Вони можуть бути жорсткими або м'якими. М'які феромагнітні матеріали, такі як залізо, швидко втрачають свої властивості. Магніти, виготовлені з цих матеріалів, називаються тимчасовими. Жорсткі матеріали, такі як сталь, тримають свої властивості набагато довше і використовуються в якості постійних.

Магнітний потік: визначення та характеристика

Навколо магніту існує певне силове поле, і це створює можливість виникнення енергії. Магнітний потік дорівнює добутку середніх силових полів перпендикулярної поверхні, в яку він проникає. Його зображують за допомогою символу «Φ», вимірюється він в одиницях, званих Webers (СБ). Величина потоку, що проходить через задану площа, буде змінюватися від однієї точки до іншої навколо предмета. Таким чином, магнітний потік - це так звана міра сили магнітного поля або електричного струму, заснована на загальній кількості заряджених силових ліній, що проходять через певну область.

Розкриваючи таємницю магнітних потоків

У всіх магнітів, незалежно від їх форми, є дві області, які називаються полюсами, здатними виробляти певний ланцюжок організованою і збалансованої системи невидимих \u200b\u200bсилових ліній. Ці лінії з потоку утворюють особливе поле, форма якого проявляється більш інтенсивно в деяких частинах в порівнянні з іншими. Області з найбільшим тяжінням називають полюсами. Лінії векторного поля не можуть бути виявлені неозброєним оком. Візуально вони завжди відображаються у вигляді силових ліній з однозначними полюсами на кожному кінці матеріалу, де лінії більш щільні і концентровані. Магнітний потік - це лінії, які створюють вібрації тяжіння або відштовхування, показуючи їх напрямок і інтенсивність.

Лінії магнітного потоку

Магнітні силові лінії визначаються як криві, що переміщаються по певній траєкторії в магнітному полі. Дотична до цих кривим в будь-якій точці показує напрямок магнітного поля в ній же. Характеристики:

Кожна лінія потоку утворює замкнутий контур.

Ці індукційні лінії ніколи не перетинаються, але мають тенденцію скорочуватися або розтягуватися, змінюючи в ту чи іншу сторону свої розміри.

Як правило, силові лінії мають початок і кінець на поверхні.

Є також певний напрям з півночі на південь.

Силові лінії, які розташовані близько один до одного, утворюючи сильне магнітне поле.

Коли сусідні полюса однакові (північ-північ чи південь-південь), вони відштовхуються один від одного. Коли сусідні полюса не збігаються (північ-південь чи північ-південь), вони притягуються один до одного. Цей ефект нагадує відомий вислів про те, що протилежності притягуються.

Магнітні молекули і теорія Вебера

Теорія Вебера спирається на той факт, що всі атоми мають магнітні властивості завдяки зв'язку між електронами в атомах. Групи атомів з'єднуються разом таким чином, що оточуючі їх поля обертаються в тому ж напрямку. Такого роду матеріали складаються з груп крихітних магнітиків (якщо розглядати їх на молекулярному рівні) Навколо атомів, це означає, що феромагнітний матеріал складається з молекул, яким властиві сили тяжіння. Вони відомі як диполі і групуються в домени. Коли матеріал намагнічений, всі домени стають єдиним цілим. Матеріал втрачає свою здатність притягувати і відштовхувати в тому випадку, якщо його домени роз'єднуються. Диполі в сукупності утворюють магніт, але окремо кожен з них намагається відштовхнутися від однополярного, таким чином притягуються протилежні полюси.

Поля і полюса

Силу і напрям магнітного поля визначають лінії магнітного потоку. Область тяжіння сильніше там, де лінії близько розташовані один до одного. Лінії знаходяться найближче у полюса стрижневого підстави, там тяжіння найбільш сильне. Сама планета Земля перебуває в цьому потужному силовому полі. Воно діє так, як ніби гігантська полосовая намагнічена пластина проходить через середину планети. Північним полюсом стрілка компаса спрямована в бік точки, званої Північний магнітний полюс, південним полюсом вона вказує на магнітний південь. Однак ці напрямки відрізняються від географічних Північного і Південного полюсів.

природа магнетизму

Магнетизм відіграє важливу роль в електротехніці і електроніці, тому що без його компонентів, таких як реле, соленоїди, котушки індуктивності, дроселі, котушки, не працюватимуть гучномовці, електродвигуни, генератори, трансформатори, лічильники електроенергії і т. Д. Магніти можна знайти в природному стані в вигляді магнітних руд. Існують два основних типи, це магнетит (його також називають оксид заліза) і магнітний залізняк. Молекулярна структура цього матеріалу в немагнітному стані представлена \u200b\u200bу вигляді вільної магнітної ланцюга або окремих крихітних часток, які вільно розташовуються в довільному порядку. Коли матеріал намагнічений, це випадкове розташування молекул змінюється, а крихітні випадкові молекулярні частки шикуються таким чином, що вони виробляють цілу серію домовленостей. Ця ідея молекулярного вирівнювання феромагнітних матеріалів називається теорією Вебера.

Вимірювання і практичне застосування

Найбільш поширені генератори використовують магнітний потік для виробництва електроенергії. Його сила широко використовується в електричних генераторах. Прилад, який служить для вимірювання цього цікавого явища, називається флюксметра, він складається з котушки і електронного обладнання, яке оцінює зміну напруги в котушці. У фізиці потоком називається показник числа силових ліній, що проходять через певну область. Магнітний потік - це міра кількості магнітних силових ліній.

Іноді навіть немагнітний матеріал може також мати діамагнітниє і парамагнітні властивості. цікавим фактом є те, що сили тяжіння можуть бути зруйновані при нагріванні або ударі молоточком з такого ж матеріалу, але вони не можуть бути знищені або ізольовані, якщо просто розбити великий екземпляр на дві частини. Кожній зламаний шматок матиме свій власний північний і південний полюс, і неважливо, наскільки маленькими за розміром будуть ці шматочки.

серед фізичних величин важливе місце займає магнітний потік. У цій статті розповідається про те, що це таке, і як визначити його величину.

Formula-magnitnogo-potoka-600x380.jpg? X15027 "alt \u003d" (! LANG: Формула магнітного потоку" width="600" height="380">!}

Формула магнітного потоку

Що таке магнітний потік

Це величина, яка визначає рівень магнітного поля, що проходить через поверхню. Позначається «ФФ» і залежить від сили поля і кута проходження поля через цю поверхню.

Розраховується вона за формулою:

ФФ \u003d B⋅S⋅cosα, де:

ФФ - магнітний потік;
В - величина магнітної індукції;
S - площа поверхні, через яку проходить це поле;
cosα - косинус кута між перпендикуляром до поверхні і потоком.

Одиницею виміру в системі СІ є «вебер» (Вб). 1 вебер створюється полем величиною 1 Тл, що проходить перпендикулярно поверхні площею 1 м².

Таким чином, потік максимальний при збігу його напряму з вертикаллю і дорівнює «0», якщо він паралельний з поверхнею.

Цікаво.Формула магнітного потоку аналогічна формулі, за якою розраховується освітленість.

постійні магніти

Одним з джерел поля є постійні магніти. Вони відомі багато століть. З намагніченого заліза виготовлялася стрілка компаса, а в Стародавній Греції існувала легенда про острів, що притягає до себе металеві частини кораблів.

Постійні магніти є різної форми і виготовляються з різних матеріалів:

залізні - найдешевші, але мають меншу притягує силою;
неодимові - зі сплаву неодиму, заліза і бору;
альнико - сплав заліза, алюмінію, нікелю і кобальту.

Всі магніти є двополюсними. Це найпомітніше в стрижневих і підковоподібних пристроях.

Якщо стрижень підвісити за середину або покласти на плаваючий шматочок дерева або пінопласту, то він розвернеться за напрямом «північ-південь». Полюс, що показує на північ, називають північним і на лабораторних приладах фарбують в синій колір і позначають «N». Протилежний, що показує на південь, - червоний і позначений »S». Однойменними полюсами магніти притягуються, а протилежними - відштовхуються.

У 1851 році Майкл Фарадей запропонував поняття про замкнутих лініях індукції. Ці лінії виходять з північного полюса магніту, проходять по навколишньому простору, входять в південний і всередині пристрою повертаються до північного. Найближче лінії і напруженість поля біля полюсів. Тут також вище притягає сила.

Якщо на пристрій покласти шматок скла, а зверху тонким шаром насипати залізну тирсу, то вони розташуються уздовж ліній магнітного поля. При розташуванні поруч кількох приладів тирса покажуть взаємодія між ними: тяжіння або відштовхування.

Magnit-i-zheleznye-opilki-600x425.jpeg? X15027 "alt \u003d" (! LANG: Магніт і залізні ошурки" width="600" height="425">!}

Магніт і залізні ошурки

Магнітне поле Землі

Нашу планету можна представити у вигляді магніту, вісь якого нахилена на 12 градусів. Перетину цієї осі з поверхнею називають магнітними полюсами. Як і у будь-якого магніту, силові лінії Землі йдуть від північного полюса до південного. Біля полюсів вони проходять перпендикулярно поверхні, тому там стрілка компаса ненадійна, і доводиться використовувати інші способи.

Частинки «сонячного вітру» мають електричний заряд, тому при русі навколо них з'являється магнітне поле, яке взаємодіє з полем Землі і направляє ці частинки уздовж силових ліній. Тим самим це поле захищає земну поверхню від космічної радіації. Однак біля полюсів ці лінії спрямовані перпендикулярно поверхні, і заряджені частинки потрапляють в атмосферу, викликаючи північне сяйво.

електромагніти

У 1820 році Ганс Ерстед, проводячи експерименти, побачив вплив провідника, по якому протікає електричний струм, на стрілку компаса. Через кілька днів Андре-Марі Ампер виявив взаємне тяжіння двох проводів, по яким протікав струм одного напрямку.

Цікаво. Під час електрозварювальних робіт поруч розташовані кабелю рухаються при зміні сили струму.

Пізніше Ампер припустив, що це пов'язано з магнітною індукцією струму, що протікає по дротах.

У котушці, намотаною ізольованим проводом, по якому протікає електричний струм, поля окремих провідників посилюють один одного. Для збільшення сили тяжіння котушку намотують на незамкнутому сталевому сердечнику. Цей сердечник намагнічується і притягує залізні деталі або другу половину сердечника в реле і контакторах.

Elektromagnit-1-600x424.jpg? X15027 "alt \u003d" (! LANG: Електромагніти" width="600" height="424">!}

електромагніти

Електромагнітна індукція

При зміні магнітного потоку в проводі наводиться електричний струм. Цей факт не залежить від того, якими причинами було викликано це зміна: переміщенням постійного магніту, рухом дроти або зміною сили струму в поруч розташованому провіднику.

Це явище було відкрито Майклом Фарадеєм 29 серпня 1831 року. Його експерименти показали, що ЕРС (електрорушійна сила), що з'являється в контурі, обмеженому провідниками, прямопропорційна швидкості зміни потоку, що проходить через площу цього контуру.

Важливо! Для виникнення ЕРС провід повинен перетинати силові лінії. При русі вздовж ліній ЕРС відсутня.

Якщо котушка, в якій виникає ЕРС, включена в електричний ланцюг, то в обмотці виникає струм, який створює в котушці індуктивності своє електромагнітне поле.

Правило правої руки

При русі провідника в магнітному полі в ньому наводиться ЕРС. Її спрямованість залежить від напрямку руху дроти. Метод, за допомогою якого визначається напрямок магнітної індукції, називається «метод правої руки».

Pravilo-pravoj-ruki-600x450.jpg? X15027 "alt \u003d" (! LANG: Правило правої руки" width="600" height="450">!}

Правило правої руки

Розрахунок величини магнітного поля важливий для проектування електричних машин і трансформаторів.

Відео

магнітна індукція - є щільністю магнітного потоку в даній точці поля. Одиницею магнітної індукції є тесла (1 Тл \u003d 1 Вб / м 2).

Повертаючись до отриманого раніше висловом (1), можна кількісно визначити магнітний потік через деяку поверхню як добуток величини заряду, що протікає через провідник суміщений з кордоном цієї поверхні при повному зникненні магнітного поля, на опір електричного кола, по якій протікають ці заряди

В описаних вище дослідах з пробним витком (кільцем), він віддалявся на таку відстань, при якому зникали всякі прояви магнітного поля. Але можна просто переміщати цей виток в межах поля і при цьому в ньому також будуть переміщатися електричні заряди. Перейдемо в вираженні (1) до приращениям

Ф + Δ Ф \u003d r(q - Δ q) \u003d\u003e Δ Ф \u003d - rΔ q => Δ q \u003d -Δ Ф / r

де Δ Ф і Δ q - збільшення потоку і кількості зарядів. різні знаки збільшень пояснюються тим, що позитивний заряд в дослідах з видаленням витка відповідав зникнення поля, тобто негативному приросту магнітного потоку.

За допомогою пробного витка можна досліджувати весь простір навколо магніту або котушки з струмом і побудувати лінії, напрямок дотичних до яких в кожній точці буде відповідати напрямку вектора магнітної індукції B (Рис. 3)

Ці лінії називаються лініями вектора магнітної індукції або магнітними лініями .

Простір магнітного поля можна подумки розділити трубчастими поверхнями, утвореними магнітними лініями, причому, поверхні можна вибрати таким чином, щоб магнітний потік усередині кожної такої поверхні (трубки) чисельно був дорівнює одиниці і зобразити графічно осьові лінії цих трубок. Такі трубки називають одиничними, а лінії їх осей - одиничними магнітними лініями . Картина магнітного поля зображена за допомогою одиничних ліній дає не тільки про якісне, а й кількісне уявлення про нього, тому що при цьому величина вектора магнітної індукції виявляється рівною кількістю ліній, що проходять через одиницю поверхні, нормальної вектору B, а кількість ліній, що проходять через будь-яку поверхню дорівнює значенню магнітного потоку .

Магнітні лінії неперервні і цей принцип можна математично представити у вигляді

тобто магнітний потік, що проходить через будь-яку замкнену поверхню дорівнює нулю .

Вираз (4) справедливо для поверхні s будь-якої форми. Якщо розглядати магнітний потік проходить через поверхню, утворену витками циліндричної котушки (рис. 4), то її можна розділити на поверхні, утворені окремими витками, тобто s=s 1 +s 2 +...+s 8. Причому через поверхні різних витків в загальному випадку будуть проходити різні магнітні потоки. Так на рис. 4, через поверхні центральних витків котушки проходять вісім одиничних магнітних ліній, А через поверхні крайніх витків тільки чотири.

Для того, щоб визначити повний магнітний потік, що проходить через поверхню всіх витків, потрібно скласти потоки, що проходять через поверхні окремих витків, або, інакше кажучи, зчіплюються з окремими витками. Наприклад, магнітні потоки, зчіплюються з чотирма верхніми витками котушки рис. 4, дорівнюватимуть: Ф 1 \u003d 4; Ф 2 \u003d 4; Ф 3 \u003d 6; Ф4 \u003d 8. Також, дзеркально-симетрично з нижніми.

потокосцепление - віртуальний (уявний загальний) магнітний потік Ψ, зчіплюються з усіма витками котушки, чисельно дорівнює сумі потоків, зчіпних з окремими витками: Ψ \u003d w е Ф m , Де Ф m - магнітний потік, створюваний струмом, що проходить по котушці, а w е - еквівалентний або ефективне число витків котушки. фізичний сенс потокосцепления - зчеплення магнітних полів витків котушки, яке можна висловити коефіцієнтом (кратністю) потокосцепления k \u003d Ψ / Ф \u003d w е.

Тобто для наведеного на малюнку випадку, двох дзеркально-симетричних половинок котушки:

Ψ \u003d 2 (Ф 1 + Ф 2 + Ф 3 + Ф4) \u003d 48

Віртуальність, тобто уявно потокосцепления проявляється в тому, що воно не є реального магнітного потоку, який ніяка індуктивність не може кратно збільшувати, але поведінка імпедансу котушки таке, що здається, що магнітний потік збільшується кратно ефективному кількості витків, хоча реально - це просто взаємодія витків в тому ж самому полі. Якби котушка збільшувала магнітний потік своїм потокозчеплення, то можна було б створювати умножители магнітного поля на котушці навіть без струму, бо потокосцепление не має на увазі замкнутості ланцюга котушки, але лише спільну геометрію близькості витків.

Часто реальний розподіл потокосцепления по витків котушки невідомо, але його можна прийняти рівномірним і однаковим для всіх витків, якщо реальну котушку замінити еквівалентною з іншим числом витків w е, зберігаючи при цьому величину потокосцепления Ψ \u003d w е Ф m , Де Ф m - потік, зчіплюються з внутрішніми витками котушки, а w е - еквівалентний або ефективне число витків котушки. Для розглянутого на рис. 4 випадки w е \u003d Ψ / Ф 4 \u003d 48/8 \u003d 6.