Учебник по физике для поступающих в ВУЗ /Экзаменационные вопросы по физике (2006-2007)/

fед.дл. = mI1I2/2πd

Опыты Ампера показали, что магнитные поля, создаваемые токами протекающими по бесконечно длинным параллельным проводникам, находящимся на расстоянии r друг от друга, приводят к возникновению на каждом отрезке проводников длиной Dl силы взаимодействия:

F12 = F21 = km Dl

коэффициент пропорциональности km = 2*10-7 Н/А2

Определение единицы силы тока – Ампер:

1А – сила постоянного тока, который, протекая по двум параллельным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенными в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, вызывает на каждом отрезке проводника длиной в 1 м силу взаимодействия равную 2*10-7Н.

Закон Ампера используют для расчета сил, действующих на проводники с током во многих технических устройствах, в частности в электродвигателях.

Применяется также в громкоговорителях, динамиках.

Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле применяется во всех электроизмерительных приборах и электрических машинах.        

СИЛА ЛОРЕНЦА

Электрический ток – это совокупность упорядоченно движущихся заряженных частиц.

Поэтому действие магнитного поля на проводник с током есть результат действия поля на движущиеся заряженные частицы внутри проводника.

Опытным путём установлено, что на за­ряд, движущийся в магнитном поле, действительно действует сила.

Силу, действующую на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля, называют силой Лоренца.

(в честь голландского физика Хендрика .Лоренца)

Модуль силы Лоренца равен отношению модуля силы Ампера FA, действующей на участок проводника длиной ∆l, к числу N заряженных частиц, упорядоченно движущихся на этом участке проводника:

Fл = FA /N.

Рассмотрим отрезок тонкого прямого проводника с током. Пусть длина отрезка ∆l и площадь поперечного сечения проводника S настолько малы, что вектор индукции магнитного поля В можно считать неизменным в пределах этого отрезка проводника.

Сила тока I в проводнике связана с зарядом частиц q, концентрацией заряженных частиц (числом зарядов в единице объема) и скоростью их упорядоченного движения v:

I = qnvS.

Модуль силы, действующей со стороны магнитного поля на выбранный элемент тока:

FA = |q| ∆lB sin(a).

Подставляя сюда предыдущее выражение для силы тока (I = qnvS), получим:

FA = |q| nvS ∆l B sin(a) = v |q| N B sin(a)

где N = nS∆l – число заряженных частиц в рассматриваемом объеме.

На движущийся заряд со стороны магнитного поля действует сила Лоренца:

Fл = = |q| vB sin(a),

где a – угол между вектором скорости v и вектором магнитной индукции B.

Сила Лоренца перпендикулярна векторам В и v, и ее направление определяется правилом левой руки(того же что и направление силы Ампера):

если руку расположить так, чтобы четыре вытянутых пальца совпадали с направлением движения положительного заряда, линии индукции магнитного поля входили в ладонь, то отставленный на 900 большой палец показывает направление силы.

В случае отрицательной частицы направление силы противоположное.

Если есть электрическое и магнитное поля, то полная сила, действующая на заряд равна:

Так как сила Лоренца перпендикулярна скорости частицы, то она не совершает работу.

Сила Лоренца не меняет кинетическую энергию частицы и, следовательно, модуль ее скорости. Под действием силы Лоренца меняется лишь направление частицы.

Траектория движения заряженной частицы в однородном магнитном поле зависит от угла α между скоростью частицы и вектором магнитной индукции.

Заряженная частица, влетающая в однородное магнитное поле параллельно линиям магнитной индукции, движется вдоль этих линий.

В этом случае α = 0 и соответственно Fл = 0. Частица (согласно принципу инерции) будет продолжать двигаться равномерно и прямолинейно с начальной скоростью вдоль линий магнитной индукции.

В однородном магнитном поле частица, движущаяся перпендикулярно линиям индукции магнитного поля, под действием силы Лоренца приобретает центростремительное ускорение:

a = =  и движется по окружности.

Заряженная частица, влетающая в однородное магнитное поле в плоскости, перпендикулярной линиям магнитной индукции, движется в этой плоскости по окружности.

Радиус окружности и период обращения определяются выражениями:

a = = Þ r =

Период обращения частицы по окружности в поперечном магнитном поле не зависит от ее скорости:

T =  =  (период не зависит от радиуса и скорости частицы)

Независимость периода обращения от радиуса и скорости используется в ускорителе заряженных частиц – циклотроне.

При движении заряженной частицы в однородном электрическом поле радиус движения частицы остается неизменным:

r =

В соответствии с правилом левой руки для определения силы Лоренца вращение отрицательного заряда по окружности происходит в направлении, противоположном вращению положительного заряда.

Направление вращения заряда определяется его знаком.

Действие силы Лоренца на движущиеся заряды можно наблюдать, поднося магнит к электроннолучевой трубке.

Масс-спектрограф – прибор для измерения масс заряженных частиц.

Принцип работы силы Лоренца в масс-спектрометрах:

Вакуумная камера прибора помещена в магнитное поле. Ускоренные электрическим полем заряженные частицы (электроны или ионы), описав дугу, попадают на фотопластинку, где оставляют след, позволяющий с большой точностью измерить радиус траектории. По этому радиусу определяется удельный заряд иона.

Зная же заряд иона, легко определить его массу.

ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ (уч.8кл.стр.143-145)

Электродвигатель постоянного тока. Принцип действия. Конструкция.

Электродвигатель переменного тока

Асинхронный электродвигатель. Принцип действия. Конструкция.

Магнитное поле действует с некоторой силой на любой проводник в током, находящийся в поле. При изменении направления тока в проводнике направление действия поля также меняется.

Практическое значение имеет вращение проводника с током в магнитном поле.

Вращение рамки с током в магнитном поле используется в электродвигателях постоянного тока, преобразующих электрическую энергию в механическую.

Рамка с током, находящаяся в положении неустойчивого равновесия, поворачивается на 180о вокруг горизонтальной оси.

В момент, когда рамка проходит положение устойчивого равновесия, коллектор меняет направление тока в рамке на противоположное. В результате рамка вновь оказывается в положении неустойчивого равновесия и пройдя по инерции это положение, продолжает вращение в прежнем направлении.

Коллектор – устройство для изменения направления тока, состоящее из полуколец, к которым прижимаются скользящие по ним контакты (щетки) для подведения тока к обмотке двигателя.

В реальных электродвигателях постоянного тока роль постоянного магнита выполняют электромагниты.

В реальных электродвигателях обмотка состоит из большого числа витков проволоки, уложенных в пазы вдоль боковой поверхности железного цилиндра, насаженного на вал электродвигателя. Этот цилиндр нужен для усиления магнитного поля.

Обмотка вместе с вращающимся цилиндром называется – якорем.

Магнитное поле, в котором вращается якорь, создается мощным электромагнитом, питающимся от того же источника, что и обмотка якоря. Неподвижные обмотки с металлическими сердечниками, создающие магнитное поле электродвигателя называются – статором.

В зависимости от способа соединения обмоток якоря и статора и их питания можно получить различные характеристики электродвигателя.

Меняя магнитное поле двигателя очень плавно можно менять его обороты.

Двигателя постоянного тока нашли особенно широкое применение на транспорте: троллейбусы, трамваи, метро, электровозы, суда электроходы.

Основные преимущества электродвигателей: малые размеры, экологичность, легкость монтажа. Можно изготовить электродвигатель любой мощности до сотен и тысяч кВт.

КПД мощных электродвигателей достигает 98%. Такой высокий КПД не имеет ни один другой двигатель.

Один из первых в мире электродвигателей, пригодный для практического применения, изобретен русским ученым Борисом Семеновичем Якоби в 1834 г.

ДОБАВИТЬ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

ДОБАВИТЬ АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ (ДОЛИВО-ДОБРОВОЛЬСКИЙ)

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ

В замкнутом контуре при изменении магнитного поля, пронизывающего контур, возникает электрический ток, называемый индукционным током.

Явление возникновения тока в замкнутом контуре при изменениях магнитного поля, пронизывающего контур, называется электромагнитной индукцией.

Появление тока в замкнутом контуре свидетельствует о наличии сторонних сил неэлектростатической природы или о возникновении ЭДС индукции.

Количественное описание явления электромагнитной индукции дается на основе установления связи ЭДС индукции и магнитным потоком.

Магнитным потоком Ф через поверхность называется физическая величина, равная произведению площади поверхности S на модуль вектора магнитной индукции B и на косинус угла a между ним и нормалью к поверхности:

Φ = BS cos(a)

Единица измерения – Вб( Вебер, в честь ученого Вебера)

1 Вб равен магнитному потоку, который при равномерном убывании до нуля за 1 секунду вызывает ЭДС в 1 вольт.

Для однородного магнитного поля на основании определения магнитного потока следует, что индукция равна 1 Тл(Тесла), если поток через контур в 1 м2 равен 1 Вб.

Положительный (отрицательный) знак магнитного потока соответствует острому (тупому) углу a, или условию Вn> 0 (Вn< 0).

Направление индукционного тока зависит от того, возрастает или убывает поток, пронизывающий контур, а также от направления поля относительно контура.

Правило Ленца:

Возникающий в замкнутом контуре индукционный ток имеет такое направление, что созданный им магнитный поток через площадь, ограниченную контуром, стремится скомпенсировать изменение магнитного потока, которым данный ток вызывается.

(См.ниже «Закон Электромагнитной индукции Фарадея»)

Закон электромагнитной индукции Фарадея:

ЭДС индукции в замкнутом контуре прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром и равна скорости изменения этого потока:

êeiú = êú

 а с учетом правила Ленца: ei = - (См.ниже «Правило Ленца»)

При изменении ЭДС в катушке, состоящей из n одинаковых витков, общая ЭДС в n раз больше ЭДС в одном отдельно взятом витке:

ei = - n

Электрическое поле, возникающее при изменении магнитного поля, называется вихревым электрическим полем.

Работа сил вихревого поля по перемещению зарядов и является ЭДС индукции.

Вихревое поле не связано с зарядами и представляет собой замкнутые линии.

Работа сил этого поля по замкнутому контуру может быть отлична от нуля.

Явление электромагнитной индукции также возникает при покоящемся источнике магнитного потока и движущемся проводнике.

В этом случае причиной возникновения ЭДС индукции является сила Лоренца:

ei = - = vBl (См.выше «Сила Лоренца»)

ЗАКОН ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ ФАРАДЕЯ-МАКСВЕЛЛА

Электрический ток создаёт магнитное поле. Возможно ли появление электрического тока с помощью магнитного поля?

В 1831 г. английский физик Майкл Фарадей установил, что электрический ток может возникать в контуре не только при движении проводника в магнитном поле, но и при любом изменении магнитного потока в контуре.

Было открыто явление электромагнитной индукции.

Электромагнитная индукция – физическое явление, заключающееся в возникновении вихревого электрического поля, вызывающего электрический ток в замкнутом контуре при изменении потока магнитной индукции через поверхность, ограниченную этим контуром.

Электрический ток, возникающий при электромагнитной индукции, называется индукционным

Явление электромагнитной индукции - при всяком изменении магнитного потока, пронизывающего площадь, охватываемую проводящим контуром, в нём возникает электродвижущая сила, называемая э.д.с. индукции.

Если контур замкнут, то под действием этой э.д.с. появляется электрический ток,

названный индукционным.

Для определение знака индукционного тока в контуре его направление сравнивается в выбранным направлением обхода контура.

Направление индукционного тока (так же, как и величина ЭДС индукции) считается положительным, если оно совпадает с выбранным направлением обхода контура.

Фарадей установил, что э.д.с. индукции не зависит от способа изменения магнитного потока и определяется только быстротой его изменения.

Он установил, что одним из способов индуцирования тока в катушке является вдвигание в катушку постоянного магнита.

Рассмотрим один из опытов, проведённых Фарадеем, по обнаружению индукционного тока, а следовательно, и э.д.с. индукции.

Если в соленоид, замкнутый на очень чувствительный электроизмерительный прибор(гальванометр), вдвигать или выдвигать магнит, то при движе­нии магнита наблюдается отклонение стрелки гальванометра, свидетель­ствующее о возникновении индукционного тока.

То же самое наблюдается при движении соленоида относительно магнита.

Если же магнит и солено­ид неподвижны относительно друг друга, то и индукционный ток не воз­никает.

Из приведённого опыта следует вывод, что при взаимном движе­нии указанных тел происходит изменение магнитного потока через витки соленоида, что приводит к появлению индукционного тока, вызванного возникающей э.д.с. индукции.

Закон электромагнитной индукции Фарадея-Максвелла:

ЭДС электромагнитной индукции в замкнутом контуре численно равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром.

ei = - Φ’ (производная потока через поверхность контура по времени)

ЭДС индукции в проводнике равна быстроте изменения магнитного потока, пронизывающего площадь, охватываемую проводником:

ei = - Φ’ = - = -

При движении проводника возникающий индукционный ток создает собственное магнитное поле Bi и собственный магнитный поток Φi через контур.

Bi ~ Ii ~ εi = - Φ’ , Φi ~ Bi Þ Φi ~ (- Φ’)

Условие пропорциональности является математической формулировкой правила определения направления индукционного тока, установленного русским физиком Э.Х.Ленцем.

Знак минус в формуле объясняется по Правилу Ленца:

индуктивный ток направлен так, что своим магнитным полем препятствует изменению внешнего магнитного потока, порождающего индукционный ток.

Примем магнитный поток, пронизывающий площадь контура, положительным.

При увеличении этого потока > 0 возникает э.д.с. индукции ei < 0, под действием которой появляется индукционный ток, создающий собственное магнитное поле, направленное навстречу внешнему полю, т.е. магнитный поток индукционного тока отрицателен.

Если же поток, пронизывающий площадь контура, уменьшается < 0, то ei > 0 , т.е. направление магнитного поля индукционного тока совпадает с направлением внешнего поля.

ПРАВИЛО ЛЕНЦА

Направление индукционного тока определяет­ся правилом Ленца:

индукционный ток в контуре име­ет такое направление. что создаваемое им магнит­ный поток через поверхность, ограниченную контуром, препятствует изменению магнитного по­тока, вызвавшего этот ток.

Из этого правила следует, что при возрастании магнитного потока возникающий индукционный ток имеет такое направ­ление, чтобы порождаемое им магнитное поле было направлено против внешнего поля, противодействуя увеличению магнитного потока. Уменьшение маг­нитного потока, наоборот, приводит к появлению индукционного тока, создающего магнитное поле, совпадающее по направлению с внешним полем.

Пусть, например, в однородном магнитном поле на­ходится проволочная квадратная рамка, пронизы­ваемая магнитным полем.

Предположим, что магнитное поле возрастает. Это приводит к увеличению магнитного потока через площадь рамки. Согласно правилу Ленца, магнитное поле, возникающего индукционного тока, будет на­правлено против внешнего поля, т.е. вектор В2 этого поля противоположен вектору Е. Применяя правило правого винта, находим направление индукционного тока Ii.

Явление электромагнитной индукции полу­чило широкое применение в технике: промышленности получение электроэнергии на электростанциях, разогрев и плавление проводящих материалов (металлов) в индукционных электропечах и т.д.

ВИХРЕВОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ

ДОБАВИТЬ ИЗ ДРУГОГО ИСТОЧНИКА

Электрическое поле, возникающее при изменении магнитного поля, называется вихревым электрическим полем.

Работа сил вихревого поля по перемещению зарядов и является ЭДС индукции.

Вихревое поле не связано с зарядами и представляет собой замкнутые линии.

Работа сил этого поля по замкнутому контуру может быть отлична от нуля.

Магнитное поле – вихревое поле.

САМОИНДУКЦИЯ (уч.11кл.стр.123-126)

Опыт Джозефа Генри

Самоиндукция

Коммутационные процессы в цепи с индуктивностью.

Время релаксации цепи.

Графическая интерпретация времени релаксации.

В опытах Фарадея индукционный ток возникал при изменении магнитного потока в катушке, вызванного изменением индукции внешнего магнитного поля.

В 1832 г. американский ученый Джозеф Генри наблюдал возникновение индукционного тока в катушке, когда магнитный поток в ней менялся вследствие изменения тока, протекавшего в самой катушке.

Это явление получило название самоиндукции.

Самоиндукция – возникновение ЭДС индукции в проводящем контуре при изменении силы тока в нем.

Явление самоиндукции - явление возникновения э.д.с. в том же проводнике, по которому течёт переменный ток, называется самоин­дукцией, а саму э.д.с. называют э.д.с. самоиндукции.

Это явление объяс­няется следующим:

Переменный ток, проходящий по проводнику, порож­дает вокруг себя переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, создаёт магнитный поток, изменяющийся со временем, через площадь, ог­раниченную проводником.

Согласно явлению электромагнитной индукции, это изменение магнитного потока и приводит к появлению э.д.с. са­моиндукции.

Пусть по проводнику с индуктивностью L течёт электрический ток. В момент времени t1 сила этого тока равна I1, а к моменту времени t2 она стала равной I2.

Магнитный поток, создавае­мый током через площадь ограниченную проводником, в моменты време­ни t1 и t2 соответственно равен Ф1=LI1 и Ф2= LI2 , а изменение магнитного потока DФ = LI2 — LI1 = L(I2 - I1) = LDI.

Со­гласно закону электромагнитной индукции, э.д.с. самоиндукции равна: e = -

Подставляя в это выражения предыдущую формулу, получаем закон самоиндукции:

esi = - L= -Li’ (производная тока по времени)

Э.д.с. самоиндукции, возникающая в проводнике, пропорциональна быстроте изменения силы тока, текущего по нему.

Под действием э.д.с. самоиндукции создаётся индукционный ток, на­зываемый током самоиндукции.

Если через соленоид протекает постоянный ток I = const, ЭДС самоиндукции отсутствует εsi = 0.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49