4.4
Средняя оценка: 4.4
Всего получено оценок: 62.
4.4
Средняя оценка: 4.4
Всего получено оценок: 62.
Направление индукционного тока, возникающего в процессе явления электромагнитной индукции, неслучайно. Рассмотрим закономерности, по которым определяется это направление.
Магнитное поле катушки
Если по катушке идет ток, то вокруг нее возникает магнитное поле. Его можно увидеть, проведя опыт с железными опилками, подобный тому, что мы проводили для прямого проводника с током в прошлом уроке.
На рисунке 3 представлено схематическое изображение магнитных линий для катушки с током.
Рисунок 3. Магнитные линии катушки с током
Как вы видите, магнитные линии представляют собой замкнутые кривые. Принято считать, что они направлены от северного полюса катушки к южному.
Взаимодействие магнита и катушки
Если в опыте Фарадея двигающийся постоянный магнит будет связан с динамометром, то при движении динамометр будет фиксировать возникновение дополнительной силы. Происходит это потому, что возникающий в катушке индукционный ток, как и любой другой ток, приводит к появлению собственного магнитного поля, которое начинает взаимодействовать с магнитным полем постоянного магнита. Силу такого взаимодействия и будет фиксировать динамометр.
При движении магнита внутрь катушки сила будет направлена на выталкивание магнита. Однако, если мы начнем вынимать магнит из катушки, эта сила наоборот, начнет притягивать магнит, не давая его вынимать из катушки. То есть, возникающее магнитное поле в катушке в этих двух случаях имеет разное направление, а значит, и порождающий его ток также течет в разных направлениях.
Правило правой руки для катушки с током
Вы знаете, что направление тока и направление магнитных линий связаны между собой. Используя правило право руки для прямого проводника с током, мы можем найти направление тока, если нам известно направление магнитных линий. Или, наоборот, при известном направлении тока в проводнике мы можем определить направление магнитных линий.
Для катушки с током это правило тоже действует, но принимает немного другой вид (рисунок 4).
Правило правой руки для катушки с током: если взять катушку в правую руку так, чтобы четыре пальца смотрели в сторону протекания тока, то отставленный большой палец укажет на северный полюс катушки и совпадет с направлением магнитных линий.
Рисунок 4. Правило правой руки для катушки с током
Правило Ленца
Взаимодействие контура тока и магнитного поля изучалось русским физиком Э.Ленцем.
Рис. 2. Э. Х. Ленц.
Он установил правило, которое было впоследствии названо его именем:
Индукционный ток, возникающий в контуре, всегда направлен так, чтобы препятствовать причине, его породившей.
И действительно, в соответствии с этим правилом, когда магнит вводится в катушку, возникающий в катушке ток создает такое магнитное поле, которое сопротивляется введению магнита. И наоборот – при выведении магнита из катушки, в ней возникает индукционный ток такого направления, чтобы препятствовать выведению магнита.
Изменение магнитного действия катушки
Так как катушки с током имеют два полюса, их часто применяют в технике как магниты. Почему же тогда просто не взять обычный магнит?
Дело в том, что магнитное действие катушки можно изменять (усиливать или ослаблять). Сейчас мы рассмотрим, какими способами это можно сделать.
Проведем простой опыт (рисунок 5). Насыпем мелкие железные опилки и включим ток. Катушка начнет притягивать их.
Рисунок 5. Притяжение железных опилок на катушку с током
А теперь, не изменяя силу тока, возьмем катушку с большим числом витков, чем прежняя. Вы увидите, что количество притянутых опилок заметно увеличилось.
Магнитное действие катушки с током тем сильнее, чем больше число витков в ней.
Добавим к нашей электрической цепи реостат (рисунок 6). Он позволит изменять силу тока.
С помощью таких изменений силы тока, мы увидим, что при разных ее значениях катушка притягивает разное количество железных предметов.
Рисунок 6. Действие магнитного поля катушки при изменении силы тока
При увеличении силы тока действие магнитного поля катушки с током усиливается, при уменьшении — ослабляется.
Можно ли усилить магнитное действие катушки с током, не изменяя количество витков и силу тока? Можно! Для этого нужно ввести внутрь катушки железный стержень (рисунок 7). Такие стержни называются сердечниками.
Рисунок 7. Действие магнитного поля катушки при добавлении сердечника
Направление индукционного тока. Правило Ленца
«Искусство экспериментатора состоит в том,
чтобы уметь задавать природе вопросы,
и понимать ее ответы»
Майкл Фарадей
В данной теме разговор пойдёт о том, как определить направление индукционного тока. Рассмотрим правило Ленца.
В прошлой теме говорилось о таком явлении, как электромагнитная индукция и магнитном потоке. Магнитный поток через плоскую поверхность
— это скалярная физическая величина, численно равная произведению модуля магнитной индукции на площадь поверхности, ограниченной контуром, и на косинус угла между нормалью к поверхности и магнитной индукцией.
Явление электромагнитной индукции
состоит в том, что в замкнутом контуре при изменении магнитного потока в нем возникает электрический ток, который мы с вами называли индукционным.
Закон электромагнитной индукции
гласит: среднее значение ЭДС индукции в проводящем контуре пропорционально скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром.
Знак «минус» в формуле показывает, что индукционный ток противодействует изменению магнитного потока
. Поэтому
ЭДС индукции и скорость изменения магнитного потока имеют разные знаки
.
Теперь настало время поговорить об этом более подробно и дать физическое обоснование этого явления.
Как было показано в прошлых опытах в катушке, при приближении или удалении от нее магнита, возникает индукционный ток разного направления.
Индукционный ток в катушке, как и любой другой ток, создает собственное магнитное поле, которое взаимодействует с магнитным полем постоянного магнита. Задача сводится к тому, что бы разобраться в механизме этого взаимодействия.
Для определения направления линий магнитного поля внутри катушки с индукционным током, будем пользоваться правилом буравчика
, которое гласит, что
если вращать головку правого винта по току в витке, то тогда поступательное движение острия винта укажет направление магнитного поля соленоида, а следовательно, и его северного полюса.
Если приближать магнит к катушке, например северным полюсом, то в ней возникнет индукционный ток такого направления, что на ближайшем конце катушки появится одноименный магнитный полюс.
Из рисунка видно, что вектор магнитной индукции поля постоянного магнита направлен вниз, а вектор магнитной индукции поля возникшего индукционного тока — вверх, так как линии магнитной индукции поля катушки выходят из северного полюса. Это значит, что в данном случае, т.е. при увеличении магнитного потока, пронизывающего катушку, в ней возникает индукционный ток такого направления, что его магнитное поле направлено навстречу магнитному полю, порождающему этот ток.
Получается два магнита, обращенных друг к другу одноименными полюсами, а известно, что одноименные полюса отталкиваются. Это приводит к тому, что в этом случае постоянный магнит будет всегда отталкиваться от катушки
.
Если же удалять магнит от катушки, то на ближайшем ее полюсе возникнет магнитный полюс, противоположный полюсу постоянного магнита. Получается, что опять магнитное поле индукционного тока будет препятствовать изменению магнитного поля, порождающего этот индукционный ток.
Т.е. имеются два магнита, обращенных друг к другу разноименными полюсами, а известно, что разноименные полюса притягиваются, что приводит к тому, что постоянный магнит, в этом случае, будет всегда притягиваться к катушке
.
Аналогично будет происходить, если поменять полюс магнита с северного на южный.
Таким образом, проследив за взаимодействием между полюсами катушки и магнита во всех случаях и сравнив его с направлением движения магнита, можно легко заметить, что взаимодействие между полюсами всегда препятствует движению магнита
.
К аналогичным выводам в 1833 году пришел прославленный российский физик, один из основоположников электротехники, Эмилий Христианович Ленц.
Однако, в своих опытах, Ленц использовал не катушку, а прибор, состоящий из узкой алюминиевой пластины с алюминиевыми кольцами на концах. Одно кольцо было сплошное, а другое — с разрезом. Данный прибор был помещен на стойку и мог свободно вращаться вокруг вертикальной оси. Ленц брал полосовой магнит и вносил его в кольца.
При подносе магнита к кольцу с разрезом, никаких изменений в установке не наблюдалось. Однако, пытаясь внести этот же магнит в сплошное кольцо, Ленц наблюдал, как оно начинало «убегать» от магнита, поворачивая при этом всю пластинку. Убирая магнит от кольца, оно возвращалось в первоначальное положение. Ленц объяснял эти явления так
: при приближении к кольцу магнита, поле которого является неоднородным, проходящий сквозь кольцо магнитный поток увеличивается. При этом в сплошном кольце возникает индукционный ток, а в кольце с разрезом ток циркулировать не может.
Отталкивание сплошного кольца показывает, что индукционный ток в нем имеет такое направление, что линии индукции магнитного поля, порожденного индукционным током, направлены противоположно линиям индукции внешнего поля магнита. Т.е. кольцо и магнит будут обращены друг к другу одноименными полюсами.
При уменьшении магнитного потока (выдвигание магнита), индукционный ток имеет в нем такое направление, что линии индукции его магнитного поля совпадают по направлению с линиями индукции внешнего магнитного поля. Т.е. кольцо и магнит будут обращены друг к другу разноименными полюсами
.
Таким образом, проследив за взаимодействием между кольцом и магнитом во всех случаях и сравнив его с направлением движения магнита, можно видеть, что взаимодействие между полюсами всегда препятствует движению магнита.
Эмилий Христианович Ленц обобщил найденные им закономерности и сформулировал общее правило. Найденную им связь называют его именем, правилом Ленца
. Оно гласит, что
электромагнитная индукция создает в контуре индукционный ток такого направления, что созданное им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызывающего этот ток.
С помощью правила Ленца всегда можно определить направление индукционного тока. Для этого необходимо:
– Выяснить причину возникновения индукционного тока (увеличивается или уменьшается магнитный поток через контур);
– Определить направление вектора магнитной индукции индуцирующего магнитного поля;
– Найти направление индукции магнитного поля индукционного тока (если DF > 0, то ; DF <� 0, то );
– По направлению вектора магнитной индукции индукционного тока определить, пользуясь правилом буравчика, направление индукционного тока.
Сформулируем закон электромагнитной индукции:
среднее значение ЭДС индукции в проводящем контуре пропорционально скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром.
Изучив правило Ленца, можем сказать, что знак минус, в математической записи закона, учитывает именно его.
Согласно этому правилу, если магнитный поток будет увеличиваться (т.е. скорость изменения магнитного потока будет больше нуля), то ЭДС индукции будет отрицательна и, наоборот, при уменьшении магнитного потока (когда скорость его изменения будет меньше нуля) ЭДС индукции будет положительна.
Индукционный ток, а, следовательно, и ЭДС индукции, возникает не только в линейных проводниках, но и в массивных сплошных проводниках, помещенных в переменное магнитное поле. Единственное отличие состоит в том, что эти токи оказываются замкнутыми в толще проводника, и поэтому их называют вихревыми, а также токами Фуко,
которые вызывают нагревание проводников. Однако и они полностью подчиняются правилу Ленца.
Основные выводы:
– Направление индукционного тока определяется с помощью закона сохранения энергии.
– Правило Ленца
: индукционный ток во всех случаях направлен так, что бы своим магнитным полем препятствовать изменению магнитного потока, вызывающего данный индукционный ток.
Электромагнит
Добавление сердечников в катушки с током — простой способ значительно усилить их магнитное действие. Поэтому такие конструкции получили широкое применение. Называют же их электромагнитами.
Электромагнит — это катушка с железным сердечником внутри.
Электромагниты являются основной частью многих приборов. Они обладают несколькими крайне полезными свойствами:
- Они быстро размагничиваются при выключении тока
- Во время работы можно менять силу тока в катушке и таким способом изменять магнитное действие электромагнита
- Электромагниты легко изготавливаются самых различных размеров.
Обоснование правила Ленца
Для объяснения правила Ленца достаточно вспомнить закон сохранения энергии.
Возникающий в контуре ток, проходя по сопротивлению контура, совершает работу, которая тратится на нагревание провода катушки. Энергия для этого как раз и возникает при движении магнита. И, поскольку магнит должен при этом совершать положительную механическую работу – магнитное поле катушки должно быть направлено против поля самого магнита, в какую бы сторону он не двигался.
Только в этом случае магнит будет совершать положительную работу, энергия которой будет двигать заряды внутри контура, порождая индукционный ток, а индукционный ток, в свою очередь, будет совершать работу по нагреванию провода катушки (и отклонения стрелки гальванометра).
Рис. 3. Направление индукционного тока.
Применение электромагнитов
Рассмотрим несколько примеров применения электромагнитов.
На рисунке 8 изображен дугообразный электромагнит. Он удерживает железную пластину (якорь) с подвешенным грузом.
Рисунок 8. Дугообразный электромагнит
Такие установки широко используются на заводах для перемещения различных изделий из металлов, сбора металлической стружки.
На рисунке 9 изображен в разрезе магнитный сепаратор для зерна.
Рисунок 9. Магнитный сепаратор для зерна
Принцип его работы очень прост. В собранное зерно добавляют очень мелкие железные опилки. Они не прилипают к гладким зернам злаков, но прилипают к зернам сорняков.
Из бункера 1 зерна с опилками высыпаются на вращающийся барабан 2. Внутри него находится мощный электромагнит 5. Он притягивает железные опилки, а вместе с ними и зерна сорняков. Так сепаратор очищает зерно.
Электромагниты также применяются во многих других устройствах. Некоторые из них мы рассмотрим ниже в данном уроке в разделе “Задания”.
Упражнения
Упражнение №1 Нужно построить электромагнит, подъемную силу которого можно регулировать, не изменяя конструкции. Как это сделать?
Подъемная сила будет зависеть от магнитного действия электромагнита. Мы знаем три способа, как это сделать: изменить число витков, добавить сердечник или изменить силу тока.
Первый способ нам не подходит, так как подразумевает собой изменение конструкции. Второй не подходит, так как у нас и так уже катушка с вставленным сердечником (электромагнит).
Остается изменение силы тока. Для того, чтобы у нас была возможность это делать, необходимо включить в цепь реостат. Изменяя с его помощью силу тока, мы будем уменьшать или увеличивать магнитное действие электромагнита и изменять его подъемную силу.
Упражнение №2 Что надо сделать, чтобы изменить магнитные полюсы катушки с током на противоположные?
Вы уже знаете, что для определения полюсов катушки можно воспользоваться правилом правой руки. Пользуясь им, мы обхватываем катушку так, чтобы наши четыре пальца совпадали с направлением тока в витках. Тогда наш большой палец указывает на северный полюс катушки.
Это означает, что направление тока и расположение полюсов катушки связаны между собой.
Что сделать, чтобы северный полюс оказался с другой стороны? Поменять направление тока на противоположное.
Упражнение №3 Как построить сильный электромагнит, если конструктору дано условие, чтобы ток в электромагните был сравнительно малым?
Если мы не можем усилить магнитное действие электромагнита с помощью увеличения силы тока, то остается только увеличить количество витков в катушке.
Вставить дополнительно железный сердечник мы тоже не можем, так как электромагнит — это уже катушка с сердечником.
Упражнение №4 Используемые в подъемном кране электромагниты обладают громадной мощностью. Электромагниты, при помощи которых удаляют из глаз случайно попавшие железные опилки, очень слабы. Какими способами достигают такого различия?
Для увеличения мощности увеличивают число витков в катушке, силу тока, оставляют в катушке железный сердечник. Для уменьшения мощности можно уменьшить число витков, снизить силу тока и вытащить сердечник.
