Что такое магнитный поток. Как связаны магнитный поток и электромагнитная индукция. Какие факторы влияют на величину магнитного потока. Как применяется явление электромагнитной индукции на практике.
Магнитный поток: определение и формула расчета
Магнитный поток — это физическая величина, характеризующая действие магнитного поля на замкнутый проводящий контур. Он определяется как скалярное произведение вектора магнитной индукции на вектор площади контура:
Ф = B * S * cos α
где:
- Ф — магнитный поток (измеряется в веберах, Вб)
- B — магнитная индукция (Тл)
- S — площадь контура (м²)
- α — угол между вектором магнитной индукции и нормалью к плоскости контура
Факторы, влияющие на величину магнитного потока
На величину магнитного потока влияют следующие основные факторы:
- Сила магнитного поля (магнитная индукция)
- Площадь контура
- Ориентация контура относительно линий магнитной индукции
Чем сильнее магнитное поле и больше площадь контура, тем больше магнитный поток. Максимальное значение потока достигается, когда контур расположен перпендикулярно линиям магнитной индукции.
Электромагнитная индукция: суть явления
Электромагнитная индукция — это явление возникновения электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего этот контур. Это фундаментальное явление электромагнетизма было открыто Майклом Фарадеем в 1831 году.
Как возникает индукционный ток?
Индукционный ток возникает в проводящем контуре в следующих случаях:
- При изменении магнитной индукции поля
- При изменении площади контура
- При изменении ориентации контура в магнитном поле
- При движении проводника в магнитном поле
Все эти факторы приводят к изменению магнитного потока через контур, что и вызывает появление индукционного тока.
Закон электромагнитной индукции Фарадея
Закон Фарадея количественно описывает явление электромагнитной индукции. Он гласит:
ЭДС индукции в замкнутом контуре численно равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром.
Математически закон Фарадея выражается формулой:
ε = -dФ/dt
где:
- ε — ЭДС индукции
- Ф — магнитный поток
- t — время
- dФ/dt — скорость изменения магнитного потока
Правило Ленца: определение направления индукционного тока
Правило Ленца позволяет определить направление индукционного тока:
Индукционный ток имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле противодействует тому изменению магнитного потока, которое вызвало этот ток.
Как применять правило Ленца?
- Определить направление изменения магнитного потока
- Определить направление индукционного магнитного поля, противодействующего этому изменению
- По правилу правого винта определить направление индукционного тока, создающего это поле
Правило Ленца является следствием закона сохранения энергии в электромагнитных процессах.
Практическое применение явления электромагнитной индукции
Явление электромагнитной индукции нашло широкое применение в технике и промышленности:
- Генераторы электрического тока
- Трансформаторы
- Индукционные печи
- Электромагнитные тормоза
- Индукционные датчики
- Системы бесконтактной передачи энергии
Понимание принципов электромагнитной индукции лежит в основе работы многих современных электрических устройств и технологий.
Вихревые токи: побочный эффект электромагнитной индукции
Вихревые токи (токи Фуко) — это замкнутые индукционные токи, возникающие в массивных проводниках при изменении магнитного потока. Они могут вызывать нежелательный нагрев проводников и потери энергии.
Как уменьшить вихревые токи?
Для уменьшения вихревых токов применяются следующие методы:- Использование тонких изолированных пластин вместо массивных проводников
- Увеличение электрического сопротивления материала
- Создание разрывов в проводнике для уменьшения площади контуров вихревых токов
В некоторых устройствах вихревые токи могут быть полезны, например, в индукционных печах или для создания магнитных тормозов.
Самоиндукция: частный случай электромагнитной индукции
Самоиндукция — это явление возникновения ЭДС индукции в проводящем контуре при изменении силы тока в этом же контуре. Оно обусловлено изменением собственного магнитного поля контура.
Индуктивность: характеристика самоиндукции
Индуктивность (L) — это физическая величина, характеризующая способность проводника создавать магнитный поток при протекании через него электрического тока. Она определяется отношением магнитного потока к силе тока:
L = Ф / I
Индуктивность измеряется в генри (Гн) и зависит от геометрии проводника и свойств окружающей среды.
Взаимная индукция: взаимодействие контуров с током
Взаимная индукция — это явление возникновения ЭДС индукции в одном контуре при изменении силы тока в другом, расположенном поблизости контуре. Оно лежит в основе работы трансформаторов.
Коэффициент взаимной индукции
Коэффициент взаимной индукции (M) характеризует магнитную связь между двумя контурами. Он определяется отношением ЭДС индукции в одном контуре к скорости изменения тока в другом:
M = ε / (dI/dt)
Коэффициент взаимной индукции также измеряется в генри и зависит от взаимного расположения контуров.
Магнитный поток – формула, определение, правило
3.9
Средняя оценка: 3.9
Всего получено оценок: 117.
3.9
Средняя оценка: 3.9
Всего получено оценок: 117.
Для количественного описания явления электромагнитной индукции необходимо введение понятия магнитного потока. Рассмотрим эту тему подробнее.
Проводящая рамка в магнитном поле
Явление электромагнитной индукции состоит в том, что при изменении поля, пронизывающего проводящую рамку или катушку, в ней возникает электродвижущая сила (ЭДС):
Рис. 1. Электромагнитная индукция, опыт Фарадея.Энергия используемого в этом опыте магнитного поля характеризуется магнитной индукцией. Однако, при попытке описать наблюдаемое явление выяснилось, что одной этой величины мало.
Если выписать в таблицу значения ЭДС, наводимые магнитным полем, имеющим одну и ту же плотность магнитных линий, в разных условиях, то окажется, что ЭДС, возникающая в квадратной рамке, имеет гораздо большее значение, чем ЭДС в длинной узкой рамке (при одном периметре).
Причиной этого оказался разный «охват поля» рамкой. Площадь длинной узкой рамки невелика, она «охватывает» малое «количество поля», и ЭДС в ней также мала. У квадратной рамки площадь при одинаковом периметре больше, а у круглого витка – она наибольшая, в результате рамка «охватывает» большее «количество поля», и ЭДС в такой рамке тоже получается больше.
Не менее важной оказалась ориентация рамки по отношению к направлению магнитного поля. Наибольшая ЭДС возникает, если проводящая рамка перпендикулярна линиям магнитной индукции. Если плоскость рамки параллельна этим линиям – то независимо от ее площади и силы магнитного поля ЭДС в рамке не возникнет.
Понятие магнитного потока
Таким образом, для описания явления электромагнитной индукции было введено понятие «магнитный поток», характеризующее «охват поля» рамкой. В этом понятии объединяются все величины, от которых зависит наведенная в рамке ЭДС – индукция поля, площадь и ориентация рамки.
2×cos\alpha$$,
то есть, магнитный поток 1 Вебер – это магнитный поток, проходящий через рамку площадью 1 квадратный метр, которая ориентирована перпендикулярно линиям однородного магнитного поля с индукцией 1Тесла.
Рис. 3. Магнитный поток зависит от…Для понимания термина «магнитный поток» можно представить аналогию с обычным водяным потоком. Водяной поток, как правило, зависит от напора воды (аналог индукции) и площади сечения трубы (аналог площади рамки), а поскольку вода, в отличие от магнитного поля, всегда заключена внутрь трубы, то водяной поток всегда ориентирован поперек сечения трубы, и значение косинуса в формуле всегда равно единице.
Что мы узнали?
Для описания явления электромагнитной индукции в проводящем контуре необходимо учесть индукцию магнитного поля, «охват» поля контуром и ориентацию контура. Все эти факторы объединяются в понятии «магнитный поток». Изменение магнитного потока приводит к возникновению ЭДС в контуре. Постоянный магнитный поток ЭДС не вызывает.
Тест по теме
Доска почёта
Чтобы попасть сюда — пройдите тест.
Пока никого нет. Будьте первым!
Оценка доклада
3.9
Средняя оценка: 3.9
Всего получено оценок: 117.
А какая ваша оценка?
Закон электромагнитной индукции — формулы, определение, примеры
Покажем, как применять знание физики в жизни
Начать учиться
177.7K
Электромагнитная индукция — очень сложная штука. Поэтому будем разбираться в ней на обручах и бабулях.
Магнитный поток
Прежде, чем разобраться с тем, что такое электромагнитная индукция, нужно определить такую сущность, как магнитный поток.
Представьте, что вы взяли обруч в руки и вышли на улицу в ливень. Чем сильнее ливень, тем больше через этот обруч пройдет воды — поток воды больше.
Если обруч расположен горизонтально, то через него пройдет много воды. А если начать его поворачивать — уже меньше, потому что он расположен не под прямым углом к вертикали.
Теперь давайте поставим обруч вертикально — ни одной капли не пройдет сквозь него (если ветер не подует, конечно).
Магнитный поток по сути своей — это тот же самый поток воды через обруч, только считаем мы величину прошедшего через площадь магнитного поля, а не дождя.
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 α между направлением вектора магнитной индукции и вектора нормали (перпендикуляра к плоскости данной поверхности):
Магнитный поток
B — магнитная индукция [Тл] n — вектор нормали (перпендикуляр к поверхности) [-] |
Магнитный поток можно наглядно представить как величину, пропорциональную числу магнитных линий, проходящих через данную площадь.
В зависимости от угла α магнитный поток может быть положительным (α < 90°) или отрицательным (α > 90°). Если α = 90°, то магнитный поток равен 0. Это зависит от величины косинуса угла.
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.
Полезные подарки для родителей
В колесе фортуны — гарантированные призы, которые помогут наладить учебный процесс и выстроить отношения с ребёнком!
Электромагнитная индукция
Электромагнитная индукция — явление возникновения тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего его.
Явление электромагнитной индукции было открыто М.
Фарадеем.
Майкл Фарадей провел ряд опытов, которые помогли открыть явление электромагнитной индукции.
Опыт раз. На одну непроводящую основу намотали 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.
Опыт два. Первую катушку подключили к источнику тока, а вторую — к гальванометру. При этом вторая катушка перемещалась относительно первой. При приближении или удалении катушки фиксировался ток.
Опыт три. Катушка замкнута на гальванометр, а магнит движется вдвигается (выдвигается) относительно катушки
Вот, что показали эти опыты:
- 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.
Почему возникает индукционный ток? 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. |
Онлайн-курсы физики в Skysmart не менее увлекательны, чем наши статьи!
Закон электромагнитной индукции
Закон электромагнитной индукции (закон Фарадея) звучит так:
ЭДС индукции в замкнутом контуре равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром.
Математически его можно описать формулой:
Закон Фарадея
ΔФ/Δt — скорость изменения магнитного потока [Вб/с] |
Знак «–» в формуле позволяет учесть направление индукционного тока. Индукционный ток в замкнутом контуре всегда направлен так, 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 есть он — катушка), то ЭДС индукции будет вычисляться следующим образом.
Закон Фарадея для контура из N витков
ΔФ/Δt — скорость изменения магнитного потока [Вб/с] N — количество витков [-] |
Сила индукционного тока в замкнутом проводящем контуре с сопротивлением R:
Закон Ома для проводящего контура
I — сила индукционного тока [А] R — сопротивление контура [Ом] |
Если проводник длиной l будет двигаться со скоростью v в постоянном однородном магнитном поле с индукцией B ЭДС электромагнитной индукции равна:
ЭДС индукции для движущегося проводника
B — магнитная индукция [Тл] v — скорость проводника [м/с] l — длина проводника [м] |
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.
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.
Изменение магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур, может происходить по двум причинам:
- 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
- вследствие изменения 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
Явление электромагнитной индукции в неподвижных проводниках, возникающее при изменении окружающего магнитного поля, также описывается формулой ФарадеяТаким 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
Чтобы определить направление индукционного тока, нужно воспользоваться правилом Ленца.
Академически это правило звучит следующим образом: 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.
Давайте попробуем чуть проще: катушка в данном случае — это недовольная бабуля. Забирают у нее магнитный поток — она недовольна и создает магнитное поле, которое этот магнитный поток хочет обратно отобрать.
Дают ей магнитный поток, забирай, мол, пользуйся, а она такая — «Да зачем сдался мне ваш магнитный поток!» и создает магнитное поле, которое этот магнитный поток выгоняет.
Карина Хачатурян
К предыдущей статье
200.7K
Сила упругости
К следующей статье
Момент силы
Получите индивидуальный план обучения физике на бесплатном вводном уроке
На вводном уроке с методистом
Выявим пробелы в знаниях и дадим советы по обучению
Расскажем, как проходят занятия
Подберём курс
направление
магнитное поле
перпендикулярно проводу
и находится в направлении
пальцы
твоя правая рука
свернулся бы, если бы ты
завернули их
вокруг провода
с вашей
большой палец в направлении
тока.
Выражение для магнитного поля
Подведение итогов
становится просто
Что хорошо в этом, так это то, что заряд с течением времени представляет собой ток, а это говорит нам о том, что магнитная сила, действующая на ток в магнитном поле, равна просто произведению тока на смещение, пересекающее магнитное поле. Хорошо, давайте посмотрим на это в действии. Хорошо, магнитное поле направлено на доску, у нас есть ток, и я хочу знать, в каком направлении сила, хорошо, это дельта или смещение, которое является вектором, который просто идет вверх от того места, где он входит, туда, где он выходит из поля там так, что сила слева.
.
Итак, начнем. Я схвачу провод большим пальцем, указывающим в направлении тока, а мои пальцы будут магнитным полем, так что это магнитное поле будет вращаться вот так.
