Рух провідника в магнітному полі
Електромагнітна індукція

Після з'ясування природи ЕРС індукції , Що виникає в нерухомому провіднику, що знаходиться в змінюваному магнітному полі, ми дізналися про властивості електричного поля , Що відрізняється від того, що створюється точковими зарядами. Також ми дізналися про те, що робота по замкнутому контуру в поле, створюваному точковими зарядами, дорівнює нулю, а в вихровому поле не дорівнює нулю. Саме це поле викликає ЕРС в провіднику. Однак, якщо провідник буде рухатися в постійному магнітному полі, на кінцях провідника виникне різниця потенціалів, там теж виникне ЕРС. Але природа цієї сили буде інша. На цьому уроці ми з'ясуємо природу ЕРС в провіднику, що рухається в магнітному полі.

Життя на Землі, і особливо наша, вже чинили опір цьому типу ситуації, але наші сучасні засоби зв'язку, безсумнівно, будуть порушені. Провідник, який рухається в магнітному полі, створює електричний струм . У провідному середовищі, твердої або рідкої, в русі, якщо геометрія така, що ці два поля підсилюють один одного, може бути нестабільність: за певну швидкість перемішування магнітне поле і струм можуть генеруватися спонтанно, це ефект динамо. Турбулентний потік натрію створюється зворотним обертанням двох турбін в циліндрі.

Якщо ці дві турбіни обертаються з різною швидкістю, то перемішування дозволяє магнітному полю повертатися, подібно магнітному полю Землі. * Що стосується Землі, час між двома змінами поля дуже мінливе, але довше, ніж тривалість розвороту, яке дуже короткий. Для інших швидкостей обертання магнітне поле можна регулярно міняти, обертаючись в просторі без скасування, як це спостерігається на Сонці. Фон Карман - фізик, який дав своє ім'я потоку. Натрій: хімічний елемент в рідкому стані і провідник електрики в цих експериментах.

Тема: Електромагнітна індукція

Урок: Рух провідника в магнітному полі

Для того щоб встановити природу сили в провіднику, який рухається в магнітному полі, проведемо експеримент. Припустимо, що у вертикальному однорідному магнітному полі з індукцією () розташований горизонтальний провідник довжиною (l), який рухається з постійною швидкістю () перпендикулярно вектору магнітної індукції магнітного поля . Якщо під'єднати до кінців цього провідника чутливий вольтметр, то побачимо, що він покаже наявність різниці потенціалів на кінцях цього провідника. З'ясуємо, звідки береться ця напруга. В даному випадку немає контуру і немає мінливого магнітного поля, тому ми не може сказати, що рух електронів в провіднику виникло в результаті появи вихрового електричного поля. Коли провідник рухається, як єдине ціле (рис. 1), у зарядів провідника і у позитивних іонів, які знаходяться у вузлах кристалічної решітки, і у вільних електронів виникає швидкість спрямованого руху.

Мал. 1

На ці заряди діятиме сила Лоренца з боку магнітного поля. Згідно з правилом «лівої руки»: чотири пальці, розташовані по напрямку руху, долоню розгортаємо так, щоб вектор магнітної індукції входив в тильну сторону, тоді великий палець вкаже дію сили Лоренца на позитивні заряди.

Сила Лоренца, що діє на заряди, дорівнює добутку модуля заряду, який вона переносить, помноженої на модуль магнітної індукції, на швидкість і синус кута між вектором магнітної індукції і вектором швидкості.

Ця сила буде здійснювати роботу по перенесенню електронів на малі відстані уздовж провідника.

тоді повна робота сили Лоренца вздовж провідника буде визначатися силою Лоренца, помноженої на довжину провідника.

Ставлення роботи сторонньої сили по переміщенню заряду до величини перенесеного заряду по визначенню ЕРС.

(4)

Отже, природа виникнення ЕРС індукції - це робота сили Лоренца. Однак, формулу 10.4. можна отримати формально, виходячи з визначення ЕРС електромагнітної індукції, коли провідник переміщається в магнітному полі, перетинаючи лінії магнітної індукції, перекриваючи деяку площадку, яку можна визначити як добуток довжини провідника на переміщення, яке можна виразити через швидкість і час руху. ЕРС індукції по модулю дорівнює відношенню зміни магнітного потоку на часі.

Модуль магнітної індукції постійний, але змінюється площа, яка покриває провідник.

(6)

Після підстановки, вираження в формулу 10.5. і скорочення отримаємо:

Сила Лоренца, що діє уздовж провідника, за рахунок чого відбувається перерозподіл зарядів - це лише одна складова сил. Також є друга складова, яка виникає саме в результаті руху зарядів. Якщо електрони починають переміщатися по провіднику, а провідник знаходиться в магнітному полі, то тоді починає діяти сила Лоренца, і спрямована вона буде проти руху швидкості провідника. Таким чином, підсумовує сила Лоренца буде дорівнює нулю.

Отриманий вираз для ЕРС індукції, що виникає при русі провідника в магнітному полі, можна отримати і формально, виходячи з визначення. ЕРС індукції одно швидкості зміни магнітного потоку за одиницю часу, взятого зі знаком мінус.

коли нерухомий провідник знаходиться в змінюваному магнітному полі і коли сам провідник рухається в постійному магнітному полі, виникає явище електромагнітної індукції. І в тому, і в іншому випадку виникає ЕРС індукції. Однак природа цієї сили різна.

1. Касьянов В.А., Фізика 11 кл .: Навч. для загальноосвіт. установ. - 4-е изд., Стереотип. - М .: Дрофа, 2004. - 416 с .: іл., 8 л. кол. вкл.
2. Тихомирова С.А., Яровський Б.М., Фізика 11. - М .: Мнемозина.
3. Генденштейн Л.Е., Дік Ю.І., Фізика 11. - М .: Мнемозина.

1. Fizportal.ru ().
2. Eduspb.com ().
3. Класна фізика ().

Домашнє завдання

1. Касьянов В.А., Фізика 11 кл .: Навч. для загальноосвіт. установ. - 4-е изд., Стереотип. - М .: Дрофа, 2004. - 416 с .: іл., 8 л. кол. вкл., ст. 115, з. 1, 3, 4, ст. 133, з. 4.
2. Вертикальний металевий стрижень довжиною 50 см рухається горизонтально зі швидкістю 3 м / с в однорідному магнітному полі з індукцією 0,15 Тл. Лінії індукції магнітного поля спрямовані горизонтально під прямим кутом до напрямку вектора швидкості стержня. Чому дорівнює ЕРС індукції в стрижні?
3. З якою мінімальною швидкістю необхідно рухати в однорідному магнітному полі з магнітною індукцією 50 мТл стрижень довжиною 2 м, щоб в стрижні виникла ЕРС індукції 0,6 В?
4. * Квадрат, виготовлений з дроту завдовжки 2 м, рухається в однорідному магнітному полі з індукцією 0,3 Тл (рис. 2). Яка ЕРС індукції в кожній зі сторін квадрата? Загальна ЕРС індукції в контурі? υ = 5 м / с, α = 30 °.

1. Металевий стрижень і дроти, по яких він ковзає, знаходяться в однорідному магнітному полі, перпендикулярному площині рисунка. Індукція магнітного поля 500 мТл, швидкість руху провідника 2 м / с, його довжина 1 м, опір ланцюга 10 Ом. Знайдіть індукційний струм.

Так як провідник рухається в магнітному полі, то в ньому виникає ЕРС індукції, рівна ℰ i = BLv sin α. За умовою завдання α = 90 °, значить ℰ i = BLv.

2. Контур з джерелом струму, що має внутрішній опір 200 мОм, знаходиться в однорідному магнітному полі з індукцією 100 мТл. Знайдіть струм в ланцюзі при русі перемички зі швидкістю 10 м / с, якщо при її русі в тому ж напрямку зі швидкістю 40 м / с струм відсутній. Опором напрямних провідників можна знехтувати. Довжина перемички 66 мм.

При русі перемички в магнітному полі, в ній виникає ЕРС індукції. Загальна ЕРС може битьравно ℰ = ℰ іст + ℰ i чи ℰ = ℰ іст - ℰ i в залежності від напрямку індукційного струму. Так як в умові завдання сказано, що при швидкості 40 м / с струм відсутній, то можна зробити висновок, що ℰ = ℰ іст - ℰ i. Звідси ℰ іст = BLv 2.

При швидкості 10 м / с в тому ж напрямку ℰ = ℰ іст - BLv 1 = BLv 2 - BLv 1 = BL (v 2 - v 1).

3. Два паралельних вертикальних провідника, розташовані на відстані 1 м один від одного, замкнуті опором 1 Ом і приміщень однорідне магнітне поле з індукцією 100 мТл, перпендикулярний площині провідників. За провідникам починає вниз ковзати без тертя перемичка масою 100 г. Нехтуючи опором провідників і перемички, визначте максимальну швидкість падіння перемички.

При русі перемички в магнітному полі, в ній виникає індукційний струм , Який за правилом лівої руки спрямований вправо. Тоді на провідник зі струмом магнітне поле діє силою Ампера, яка за правилом лівої рукінаправлена ​​вгору. Таким чином, на перемичку діє дві протилежно спрямовані сили - сила Ампера і сила тяжіння, рівнодіюча яких є причиною прискорення при русі перемички. Відповідно, при зростанні швидкості руху перемички буде зростати сила Ампера. Максимальної швидкості перемичка досягне тоді, коли сила Ампера стане рівною силі тяжіння: mg = FA; mg = BI i L.

4. За горизонтальним паралельним рейках, відстань між якими 10 см, може ковзати без тертя паралельно самій собі проводить перемичка, маса которой6 р Рейки з'єднані резистором опором 6 Ом і поміщені в вертикальне магнітне поле з індукцією 300 мТл. Перемичці повідомляють горизонтальну паралельну рейках швидкість 1 см / с. Знайдіть шлях, пройдений перемичкою до зупинки. Електричний опір перемички і рейок не враховувати.

Так як перемичка рухається, то в ній виникає ЕРС індукції ℰ i = BLv. На провідник зі струмом магнітне поле діє силою Ампера, спрямована протилежно швидкості за правилом лівої руки і рівна FA = BIL.

При русі швидкість зменшується, отже, зменшується і значення сили Ампера. Тому можна розглянути роботу, виконану силою, яка дорівнює середньому значенню сили Ампера: