18. Билет № 9

Действие магнитного поля на проводник с током. Закон Ампера

В 1820 г датский физик Эрстед обнаружил, что магнитная стрелка поворачивается при пропускании электрического тока через проводник, находящийся около нее. Это указывает на то, что при прохождении электрического тока по проводнику вокруг него образуется магнитное поле, т.е. магнитное поле порождается движущимися зарядами. В этом же году французский физик Ампер установил, что два проводника, расположенные параллельно друг другу, испытывают взаимное притяжение, если ток течет по ним в одну сторону, и отталкивание, если токи текут в разные стороны.

Ампер установил, что на проводник с током, помещенный в магнитное поле, действует сила и сумел определить эту силу. В честь него силу назвали силой Ампера.Согласно экспериментальным данным модуль силы прямо пропорционален: силе тока в проводнике, длине проводника, находящегося в магнитном поле, модулю индукции магнитного поля и зависит от ориентации проводника в магнитном поле, т.е. от угла α между направлением тока и вектором индукции.

Обобщив результаты получим закон Ампера:

Модуль силы, с которой магнитное поле действует на находящийся в нем прямолинейный проводник с током, равен произведению индукцииВ этого поля, силы тока I, длины участка проводника l и синуса угла α между направлениями тока и индукции магнитного поля F_A = IBlsinα.

Направление силы Ампера: сила Ампера всегда перпендикулярна направлению тока в проводнике и вектору индукции магнитного поля. Направление силы Ампера определяется по правилу левой руки:

1. большой палец левой руки отогнуть на 90⁰ от ладони,

2. четыре вытянутых пальца ладони расположить по току,

3. повернуть ладонь так, чтобы перпендикулярная к проводнику составляющая вектора индукции магнитного поля входила в нее

большой палец указывает направление силы Ампера.

Взаимодействие параллельных проводников с током объясняется тем, что:

1. каждый из проводников будет находится в магнитном поле, созданном током другого проводника,

2. на каждый проводник действует сила Ампера со стороны магнитного поля соседнего проводника.

Применение: на действии силы Ампера основана работа электроизмерительных приборов (амперметр, вольтметр), электрического двигателя постоянного тока.При помещении рамки с током в магнитное поле так, что нормаль к плоскости рамки перпендикулярна вектору индукции, на противоположные стороны рамки действует пара сил Ампера, стремящаяся повернуть рамку перпендикулярно вектору индукции. При использовании скользящих контактов рамка будет вращаться в определенном направлении.

19. Билет № 13

Магнитный поток. Явление электромагнитной индукции

Магнитное поле характеризуется вектором индукции. Для характеристики числа линий индукции магнитного поля, пронизывающих некоторую площадку, вводится величина, называемая магнитным потоком.

Магнитным потоком через замкнутый контур площадью S называют скалярную физическую величину, численно равную произведению модуля индукции магнитного поляB, площади контураS и косинуса угла α между вектором индукции В и нормалью n к поверхности. Обозначается буквой Ф. Ф = ВScosα

Единицей измерения магнитного потока в СИ является вебер: 1Вб = 1Тл1м².

1 вебер – это магнитный поток, создаваемый однородным магнитным полем индукцией 1 Тл через плоскую поверхность площадью 1 м² расположенную перпендикулярно вектору индукции.

Магнитный поток максимальный в случае, когда плоскость контура перпендикулярна вектору индукции, а минимальный - плоскость контура расположена вдоль вектора индукции. Изменить магнитный поток можно тремя способами:

1. изменить индукцию магнитного поля,

2. изменить площадь контура,

3. изменить ориентацию контура.

Явление электромагнитной индукции было открыто опытным путем Майклом Фарадеем в 1831 г. Явление ЭМИ: возникновение электрического тока в проводящем контуре, который либо покоится в переменном во времени магнитном поле, либо движется в постоянном магнитном поле так, что число линий магнитной индукции, пронизывающих контур, меняется.Ток, который возникает в контуре, называется индукционным.

Опыты Фарадея можно воспроизвести следующим образом:

1. если в катушку, замкнутую на гальванометр, вдвигать или выдвигать полосовой магнит, то в катушке возникает индукционный ток;

2. если рядом расположить две катушки (например, на общем сердечнике или одну катушку внутри другой) и одну катушку через ключ соединить с источником тока, то при замыкании или размыкании ключа в цепи первой катушки во второй катушке появится индукционный ток;

3. в цепь первой катушки, соединенной с источником тока, включить реостат; в момент изменения силы тока в первой катушке с помощью реостата заметим появление электрического тока во второй катушке;

4. если одну катушку перемещать относительно другой, то в цепи второй катушки появится электрический ток.

Опытным путем был установлен основной закон электромагнитной индукции:

ЭДС индукции в замкнутом контуре равна по величине скорости изменения магнитного потока через контур, взятой с противоположным знаком. _i = - ΔФ/Δt.

Классической демонстрацией основного закона электромагнитной индукции является первый опыт Фарадея: чем быстрее перемещать магнит через витки катушки, тем больше возникает индукционный ток в ней, а значит, и ЭДС индукции.

Направление индукционного тока зависит от характера изменения магнитного поля через замкнутый контур. Оно определяется по правилу Ленца (установлено опытным путем): индукционный ток имеет такое направление, при котором его магнитное поле стремится скомпенсировать изменение внешнего магнитного потока через контур. Ленцем был сконструирован прибор, представляющий собой два алюминиевых кольца, сплошное и разрезанное, укрепленные на алюминиевой перекладине и имеющие возможность вращаться вокруг оси, как коромысло. При внесении магнита в сплошное кольцо оно начинало «убегать» от магнита, поворачивая соответственно коромысло. При вынесении магнита из кольца кольцо стремилось «догнать» магнит. При движении магнита внутри разрезанного кольца никакого эффекта не происходило. Ленц объяснял опыт тем, что магнитное поле индукционного тока стремилось компенсировать изменение внешнего магнитного потока.

Применение: явление ЭМИ лежит в основе работы индукционного генератора переменного тока. При равномерном вращении проводящей рамки вокруг оси, расположенной в плоскости рамки перпендикулярно однородному магнитному полю, магнитный поток, пронизывающий рамку,меняется. Следовательно, согласно закону ЭМИ в ней возникает индукционный ток.