Åpne håndflaten på venstre hånd og rett ut alle fingrene. Bøy tommelen i en vinkel på 90 grader i forhold til alle andre fingre, i samme plan som håndflaten.
Tenk deg at de fire fingrene på håndflaten din, som du holder sammen, indikerer retningen for hastigheten på ladningen hvis den er positiv, eller motsatt retning av hastigheten hvis ladningen er negativ.
Den magnetiske induksjonsvektoren, som alltid er rettet vinkelrett på hastigheten, vil dermed gå inn i håndflaten. Se nå hvor tommelen peker - dette er retningen til Lorentz-kraften.
Lorentz-kraften kan være null og har ingen vektorkomponent. Dette skjer når banen til en ladet partikkel er parallell med magnetfeltlinjene. I dette tilfellet har partikkelen en rettlinjet bane og konstant hastighet. Lorentz-kraften påvirker ikke partikkelens bevegelse på noen måte, fordi den i dette tilfellet er helt fraværende.
I det enkleste tilfellet har en ladet partikkel en bevegelsesbane vinkelrett på magnetfeltlinjene. Deretter skaper Lorentz-kraften sentripetalakselerasjon, og tvinger den ladede partikkelen til å bevege seg i en sirkel.
Merk
Lorentz-styrken ble oppdaget i 1892 av Hendrik Lorentz, en fysiker fra Holland. I dag brukes det ganske ofte i forskjellige elektriske apparater, hvis handling avhenger av banen til bevegelige elektroner. Dette er for eksempel katodestrålerør i fjernsyn og skjermer. Alle slags akseleratorer som akselererer ladede partikler til enorme hastigheter, ved hjelp av Lorentz-kraften, setter banene for deres bevegelse.
Nyttige råd
Et spesielt tilfelle av Lorentz-styrken er Ampere-styrken. Retningen beregnes ved å bruke venstrehåndsregelen.
Kilder:
- Lorentz kraft
- Lorentz tvinger venstrehåndsstyret
Effekten av et magnetfelt på en strømførende leder gjør at magnetfeltet påvirker elektriske ladninger i bevegelse. Kraften som virker på en ladet partikkel i bevegelse fra et magnetfelt kalles Lorentz-kraften til ære for den nederlandske fysikeren H. Lorentz
Bruksanvisning
Kraft - betyr at du kan bestemme dens numeriske verdi (modul) og retning (vektor).
Modulen til Lorentz-kraften (Fl) er lik forholdet mellom kraftmodulen F som virker på en seksjon av en leder med en strøm av lengden ∆l til antallet N ladede partikler som beveger seg på en ordnet måte på denne seksjonen av lederen: Fl = F/N ( 1). På grunn av enkle fysiske transformasjoner kan kraften F representeres på formen: F= q*n*v*S*l*B*sina (formel 2), hvor q er ladningen til den bevegelige, n er på lederseksjon, v er hastigheten til partikkelen, S er tverrsnittsarealet til lederseksjonen, l er lengden av lederseksjonen, B er den magnetiske induksjonen, sina er sinusen til vinkelen mellom hastigheten og induksjonsvektorer. Og konverter antall bevegelige partikler til formen: N=n*S*l (formel 3). Bytt ut formlene 2 og 3 i formel 1, reduser verdiene av n, S, l, det viser seg for Lorentz-kraften: Fл = q*v*B*sin a. Dette betyr at for å løse enkle problemer med å finne Lorentz-kraften, må du definere følgende fysiske størrelser i oppgavetilstanden: ladningen til en partikkel i bevegelse, dens hastighet, induksjonen av magnetfeltet som partikkelen beveger seg i, og vinkelen mellom hastigheten og induksjonen.
Før du løser problemet, sørg for at alle mengder er målt i enheter som tilsvarer hverandre eller det internasjonale systemet. For å få svaret i newton (N - kraftenhet), må ladning måles i coulombs (K), hastighet - i meter per sekund (m/s), induksjon - i tesla (T), sinus alfa - ikke en målbar Antall.
Eksempel 1. I et magnetfelt, hvis induksjon er 49 mT, beveger en ladet partikkel på 1 nC seg med en hastighet på 1 m/s. Hastighets- og magnetiske induksjonsvektorer er gjensidig vinkelrett.
Løsning. B = 49 mT = 0,049 T, q = 1 nC = 10 ^ (-9) C, v = 1 m/s, sin a = 1, Fl = ?
Fl = q*v*B*sin a = 0,049 T * 10 ^ (-9) C * 1 m/s * 1 =49* 10 ^(12).
Retningen til Lorentz-kraften bestemmes av venstrehåndsregelen. For å bruke det, se for deg følgende forhold mellom tre vektorer vinkelrett på hverandre. Plasser venstre hånd slik at den magnetiske induksjonsvektoren kommer inn i håndflaten, fire fingre er rettet mot bevegelsen til den positive (mot bevegelsen til den negative) partikkelen, deretter vil tommelen bøyd 90 grader indikere retningen til Lorentz-kraften (se figur).
Lorentz-kraften brukes i TV-rør på skjermer og TV-er.
Kilder:
- G. Ya Myakishev, B.B. Bukhovtsev. Lærebok i fysikk. 11. klasse. Moskva. "Utdanning". 2003
- løse problemer på Lorentz-styrken
Den sanne retningen til strømmen er retningen som de ladede partiklene beveger seg i. Det avhenger i sin tur av tegnet på anklagen deres. I tillegg bruker teknikere den betingede retningen for ladningsbevegelse, som ikke er avhengig av lederens egenskaper.
Bruksanvisning
For å bestemme den sanne bevegelsesretningen til ladede partikler, følg følgende regel. Inne i kilden flyr de ut av elektroden, som er ladet med motsatt fortegn, og beveger seg mot elektroden, som av denne grunn får en ladning som i fortegn ligner partiklene. I den eksterne kretsen trekkes de ut av det elektriske feltet fra elektroden, hvis ladning faller sammen med ladningen til partiklene, og tiltrekkes av den motsatt ladede.
I et metall er strømbærere frie elektroner som beveger seg mellom krystallinske noder. Siden disse partiklene er negativt ladet, bør de vurdere at de beveger seg fra positiv til negativ elektrode inne i kilden, og fra negativ til positiv i den eksterne kretsen.
I ikke-metalliske ledere bærer elektroner også ladning, men mekanismen for deres bevegelse er annerledes. Et elektron som forlater et atom og dermed gjør det til et positivt ion får det til å fange opp et elektron fra det forrige atomet. Det samme elektronet som forlater et atom ioniserer det neste negativt. Prosessen gjentas kontinuerlig så lenge det er strøm i kretsen. Bevegelsesretningen til ladede partikler i dette tilfellet anses som den samme som i forrige tilfelle.
Det finnes to typer halvledere: med elektron- og hullledningsevne. I den første er bærerne elektroner, og derfor kan bevegelsesretningen til partikler i dem betraktes som den samme som i metaller og ikke-metalliske ledere. I den andre bæres ladningen av virtuelle partikler - hull. For å si det enkelt kan vi si at dette er en slags tomme rom der det ikke er elektroner. På grunn av den vekslende forskyvningen av elektroner, beveger hull seg i motsatt retning. Hvis du kombinerer to halvledere, hvorav den ene har elektronisk og den andre hullkonduktivitet, vil en slik enhet, kalt en diode, ha likeretteregenskaper.
I et vakuum bæres ladning av elektroner som beveger seg fra en oppvarmet elektrode (katode) til en kald (anode). Legg merke til at når dioden retter opp, er katoden negativ i forhold til anoden, men i forhold til den felles ledningen som transformatorens sekundærviklingsterminal overfor anoden er koblet til, er katoden positivt ladet. Det er ingen motsetning her, gitt tilstedeværelsen av et spenningsfall på en hvilken som helst diode (både vakuum og halvleder).
I gasser bæres ladning av positive ioner. Betrakt bevegelsesretningen til ladninger i dem å være motsatt av bevegelsesretningen i metaller, ikke-metalliske solide ledere, vakuum, samt halvledere med elektronisk ledningsevne, og lik retningen for deres bevegelse i halvledere med hullledningsevne . Ioner er mye tyngre enn elektroner, og det er grunnen til at gassutladningsenheter har høy treghet. Ioniske enheter med symmetriske elektroder har ikke enveis ledningsevne, men de med asymmetriske elektroder har det i et visst område av potensialforskjeller.
I væsker bæres ladning alltid av tunge ioner. Avhengig av sammensetningen av elektrolytten, kan de være enten negative eller positive. I det første tilfellet, vurder de at de oppfører seg på samme måte som elektroner, og i det andre ligner positive ioner i gasser eller hull i halvledere.
Når du spesifiserer strømretningen i en elektrisk krets, uavhengig av hvor de ladede partiklene faktisk beveger seg, bør du vurdere at de beveger seg i kilden fra negativ til positiv, og i den eksterne kretsen fra positiv til negativ. Den angitte retningen anses som betinget, og den ble akseptert før oppdagelsen av atomets struktur.
Kilder:
- strømretning
Magnetfeltet karakteriseres ved hjelp av den magnetiske induksjonsvektoren ().
Hvis en fritt roterende magnetisk nål, som er en liten magnet med nord (N) og sør (S) poler, plasseres i et magnetfelt, vil den rotere til den er plassert på en bestemt måte. En ramme med strøm oppfører seg på samme måte, hengt på et fleksibelt oppheng og i stand til å rotere. Evnen til et magnetfelt til å orientere en magnetisk nål brukes til å bestemme retningen til den magnetiske induksjonsvektoren.
Magnetisk induksjonsvektorretning
Dermed anses retningen til den magnetiske induksjonsvektoren for å være retningen indikert av nordpolen til den magnetiske nålen, som kan rotere fritt i et magnetfelt.
Den positive normalen til en lukket sløyfe med strøm har samme retning. Retningen til den positive normalen bestemmes ved hjelp av regelen for høyre skrue (gimlet): den positive normalen er rettet mot der gimleten ville beveget seg fremover hvis hodet ble rotert i retningen av strømstrømmen i kretsen.
Ved hjelp av en strømsløyfe eller en magnetisk nål kan du finne ut retningen til magnetfeltets magnetiske induksjonsvektor når som helst.
For å bestemme retningen til en vektor er det noen ganger praktisk å bruke den såkalte høyrehåndsregelen. Den brukes som følger. De prøver i fantasien å gripe lederen med høyre hånd på en slik måte at tommelen angir strømmens retning, deretter er tuppene til de gjenværende fingrene rettet på samme måte som den magnetiske induksjonsvektoren.
Spesielle tilfeller av likestrøm magnetisk induksjonsvektorretning
Hvis et magnetfelt i rommet skapes av en rett leder som fører strøm, vil den magnetiske nålen bli installert på et hvilket som helst punkt i feltet som tangerer sirklene, hvis sentre ligger på lederens akse, og planene er vinkelrette til ledningen. I dette tilfellet bestemmer vi retningen til den magnetiske induksjonsvektoren ved å bruke regelen til høyre skrue. Hvis skruen roteres slik at den beveger seg progressivt i retning av strømmen i ledningen, faller rotasjonen av skruehodet sammen med retningen til vektoren. I fig. 1 er rettet bort fra oss, vinkelrett på tegningens plan.
Navigere i terrenget ved hjelp av et kompass, hver gang vi gjennomfører et eksperiment for å bestemme retningen til jordens feltvektor.
La en ladet partikkel bevege seg i et magnetfelt, så blir den påvirket av Lorentz-kraften (), som er definert som:
hvor q er ladningen til partikkelen; - partikkelhastighetsvektor. Lorentz-kraften og den magnetiske induksjonsvektoren er alltid vinkelrett på hverandre. For en belastning større enn null ( title="Gengitt av QuickLaTeX.com" height="16" width="43" style="vertical-align: -4px;">), тройка векторов и связана правилом правого винта (рис.2).!}
Magnetiske feltlinjer og retning av vektor B
Du kan visualisere bildet av magnetfeltet ved hjelp av magnetiske induksjonslinjer. Magnetiske induksjonsfeltlinjer er linjer der tangentene på et hvilket som helst punkt er de magnetiske induksjonsvektorene til det aktuelle feltet. For en rett leder som bærer strøm, er linjene med magnetisk induksjon konsentriske sirkler, deres plan er vinkelrett på lederen, sentrene deres er på ledningens akse. Spesifisiteten til magnetfeltlinjer er at de er uendelige og alltid er lukket (eller går til uendelig). Dette betyr at magnetfeltet er virvel.
Prinsippet for superposisjon av vektor B
Hvis magnetfeltet ikke er skapt av en, men av en kombinasjon av strømmer eller bevegelige ladninger, blir det funnet som en vektorsum av de individuelle feltene som skapes av hver strøm eller bevegelige ladning separat. I form av en formel er superposisjonsprinsippet skrevet som:
Eksempler på problemløsning
EKSEMPEL 1
| Trening | Hva er størrelsen og retningen til den magnetiske induksjonsvektoren på et punkt der det er to magnetiske felt samtidig? En av dem er lik i størrelsesorden 0,004 T og er rettet horisontalt fra øst til vest, den andre T er rettet vertikalt fra topp til bunn. |
| Løsning | La oss skildre retningene til feltene beskrevet i dataene (fig. 3). Siden magnetisk induksjon er en vektormengde og har en retning, bør vektorene legges til under hensyntagen til retningene deres, for eksempel ved å bruke parallellogramregelen. Det vil si at vi har: I henhold til tilstanden er vektorene og rettet vinkelrett på hverandre, den resulterende magnetiske induksjonsvektoren vil bli rettet langs diagonalen til rektangelet, som vist i fig. 3. La oss finne størrelsen på vektoren ved å bruke Pythagoras setning: La oss finne vinkelen () som vektoren lager med vertikalen. For å gjøre dette finner vi forholdet mellom de absolutte verdiene til vektorene og . |
Sitt, bryte ned molekyler til atomer,
Glemmer at poteter brytes ned på åkrene.
V. Vysotsky
Hvordan beskrive gravitasjonsinteraksjon ved hjelp av et gravitasjonsfelt? Hvordan beskrive elektrisk interaksjon ved hjelp av et elektrisk felt? Hvorfor kan elektriske og magnetiske interaksjoner betraktes som to komponenter av en enkelt elektromagnetisk interaksjon?
Leksjon-forelesning
Tyngdekraftsfelt. I fysikkkurset ditt studerte du loven om universell gravitasjon, ifølge hvilken alle legemer tiltrekker hverandre med en kraft proporsjonal med produktet av massene deres og omvendt proporsjonal med kvadratet på avstanden mellom dem.
La oss vurdere noen av solsystemets kropper og angi massen med m. I samsvar med loven om universell gravitasjon virker alle andre kropper i solsystemet på denne kroppen, og den totale gravitasjonskraften, som vi betegner med F, er lik vektorsummen av alle disse kreftene. Siden hver av kreftene er proporsjonal med massen m, kan den totale kraften representeres på formen Vektorstørrelsen avhenger av avstanden til andre kropper i solsystemet, dvs. på koordinatene til kroppen vi har valgt. Fra definisjonen gitt i forrige avsnitt, følger det at mengden G er et felt. Dette feltet har navnet gravitasjonsfelt.
Kazimir Malevich. Svart firkant
Uttrykk din gjetning hvorfor denne spesielle reproduksjonen av Malevitsjs maleri følger med teksten i avsnittet.
Nær jordoverflaten overgår kraften som utøves på en kropp, som deg, av jorden langt alle andre gravitasjonskrefter. Dette er tyngdekraften du er kjent med. Siden tyngdekraften er relatert til massen til et legeme ved forholdet F g = mg, så er G nær jordens overflate ganske enkelt tyngdeakselerasjonen.
Siden verdien av G ikke avhenger av massen eller noen annen parameter til kroppen vi har valgt, er det åpenbart at hvis vi plasserer et annet legeme på samme punkt i rommet, så vil kraften som virker på det bli bestemt av det samme verdi og multiplisert med massen nytt legeme. Dermed kan virkningen av gravitasjonskreftene til alle legemer i solsystemet på et bestemt testlegeme beskrives som virkningen av et gravitasjonsfelt på dette testlegemet. Ordet "prøve" betyr at denne kroppen kanskje ikke eksisterer, feltet på et gitt punkt i rommet eksisterer fortsatt og er ikke avhengig av tilstedeværelsen av denne kroppen. Testlegemet tjener ganske enkelt til å gjøre det mulig å måle dette feltet ved å måle den totale gravitasjonskraften som virker på det.
Det er ganske åpenbart at vi i våre diskusjoner ikke kan begrense oss til solsystemet og vurdere ethvert system av kropper, uansett hvor stort det er.
Gravitasjonskraften som skapes av et visst system av kropper og som virker på testlegemet, kan representeres som virkningen av gravitasjonsfeltet skapt av alle legemer (unntatt testlegemet) på testlegemet.
Elektromagnetisk felt. Elektriske krefter ligner veldig på gravitasjonskrefter, bare de virker mellom ladede partikler, og for likeladede partikler er dette frastøtende krefter, og for ulikt ladede partikler er de tiltrekningskrefter. En lov som ligner på loven om universell gravitasjon er Coulombs lov. Ifølge den er kraften som virker mellom to ladede legemer proporsjonal med produktet av ladningene og omvendt proporsjonal med kvadratet på avstanden mellom legene.
På grunn av analogien mellom Coulombs lov og loven om universell gravitasjon, kan det som ble sagt om gravitasjonskrefter gjentas for elektriske krefter og kraften som virker på testladningen q fra et visst system av ladede legemer kan representeres på formen F e = qE Mengden E karakteriserer det som er kjent for ditt elektriske felt og kalles elektrisk feltstyrke. Konklusjonen angående gravitasjonsfeltet kan gjentas nesten ordrett for det elektriske feltet.
Samspillet mellom ladede legemer (eller ganske enkelt ladninger), som allerede nevnt, er veldig likt gravitasjonsinteraksjonen mellom alle legemer. Det er imidlertid en svært betydelig forskjell. Gravitasjonskrefter avhenger ikke av om kroppen beveger seg eller står stille. Men kraften i samspillet mellom ladninger endres hvis ladningene beveger seg. For eksempel virker frastøtende krefter mellom to identiske stasjonære ladninger (fig. 12, a). Hvis disse ladningene beveger seg, endres interaksjonskreftene. I tillegg til elektriske frastøtende krefter oppstår det attraktive krefter (fig. 12, b).
Ris. 12. Samspill mellom to stasjonære ladninger (a), samspill mellom to bevegelige ladninger (b)
Du er allerede kjent med denne kraften fra fysikkkurset ditt. Det er denne kraften som forårsaker tiltrekningen av to parallelle strømførende ledere. Denne kraften kalles magnetisk kraft. Faktisk, i parallelle ledere med identisk rettede strømmer, beveger ladninger seg som vist på figuren, noe som betyr at de tiltrekkes av en magnetisk kraft. Kraften som virker mellom to strømførende ledere er ganske enkelt summen av alle kreftene som virker mellom ladningene.
Den elektriske kraften som skapes av et system av ladede legemer og som virker på testladningen, kan representeres som virkningen av det elektriske feltet skapt av alle ladede legemer (bortsett fra testen) på testladningen.
Hvorfor forsvinner den elektriske kraften i dette tilfellet? Alt er veldig enkelt. Ledere inneholder både positive og negative ladninger, og antallet positive ladninger er nøyaktig lik antallet negative ladninger. Derfor blir de elektriske kreftene generelt kompensert. Strømmer oppstår på grunn av bevegelsen av bare negative ladninger; positive ladninger i lederen er stasjonære. Derfor kompenseres ikke magnetiske krefter.
Mekanisk bevegelse er alltid relativ, det vil si at hastigheten alltid er gitt i forhold til et eller annet referansesystem og endres når man beveger seg fra ett referansesystem til et annet.
Se nå nøye på figur 12. Hva er forskjellen mellom figur a og b? I figur 6 beveger ladningene seg. Men denne bevegelsen er bare innenfor en viss referanseramme valgt av oss. Vi kan velge en annen referanseramme der begge ladningene er stasjonære. Og så forsvinner den magnetiske kraften. Dette antyder at elektriske og magnetiske krefter er krefter av samme natur.
Og det er det faktisk. Erfaring viser at det er en singel elektromagnetisk kraft, som virker mellom ladninger, som manifesterer seg forskjellig i forskjellige referansesystemer. Følgelig kan vi snakke om en singel elektromagnetisk felt, som er en kombinasjon av to felt - elektrisk og magnetisk. I forskjellige referansesystemer kan de elektriske og magnetiske komponentene i det elektromagnetiske feltet manifestere seg på forskjellige måter. Spesielt kan det vise seg at i en eller annen referanseramme forsvinner den elektriske eller magnetiske komponenten av det elektromagnetiske feltet.
Fra relativiteten til bevegelse følger det at elektrisk interaksjon og magnetisk interaksjon er to komponenter av en enkelt elektromagnetisk interaksjon.
Men hvis dette er tilfelle, kan konklusjonen angående det elektriske feltet gjentas.
Den elektromagnetiske kraften som skapes av et visst system av ladninger og som virker på testladningen, kan representeres som virkningen av det elektromagnetiske feltet som skapes av alle ladninger (bortsett fra testladningen) på testladningen.
Mange krefter som virker på et legeme som befinner seg i et vakuum eller i et kontinuerlig medium kan representeres som et resultat av virkningen av de tilsvarende feltene på kroppen. Slike krefter inkluderer spesielt gravitasjonskrefter og elektromagnetiske krefter.
- Hvor mange ganger er gravitasjonskraften som virker på deg fra jorden større enn gravitasjonskraften som virker fra solen? (Solens masse er 330 000 ganger større enn jordens masse, og avstanden fra jorden til solen er 150 millioner km.)
- Den magnetiske kraften som virker mellom to ladninger, som den elektriske kraften, er proporsjonal med produktet av ladningene. Hvor vil de magnetiske kreftene bli rettet hvis i figur 12, b er en av ladningene erstattet med en ladning med motsatt fortegn?
- Hvor vil de magnetiske kreftene bli rettet i figur 12, b, hvis hastighetene til begge ladningene endres til motsatt?
Det har lenge vært kjent at biter av magnetisk jernmalm er i stand til å tiltrekke seg metallgjenstander: spiker, nøtter, metallspon, nåler osv. Naturen har gitt dem denne evnen. Dette naturlige magneter .
La oss utsette en jernstang for en naturlig magnet. Etter en tid vil den magnetisere seg selv og begynne å tiltrekke seg andre metallgjenstander. Blokken ble kunstig magnet . La oss fjerne magneten. Hvis magnetiseringen forsvinner, så snakker vi om midlertidig magnetisering . Hvis det gjenstår, så før oss permanent magnet.
Endene av en magnet som tiltrekker metallgjenstander sterkest kalles polene til magneten. Attraksjonen er svakest i sin midtre sone. De ringer henne nøytral sone .
Hvis du fester en tråd til den midtre delen av magneten og lar den rotere fritt, henger den fra et stativ, vil den snu på en slik måte at en av polene vil være orientert strengt nord, og den andre strengt sør. Enden av magneten som vender mot nord kalles Nordpolen(N ), og det motsatte – sør-(S).
Magnetinteraksjon
En magnet tiltrekker seg andre magneter uten å berøre dem. Som poler av forskjellige magneter frastøter, og motsatte poler tiltrekker seg. Er det ikke sant at dette ligner samspillet mellom elektriske ladninger?
Elektriske ladninger påvirker hverandre gjennom elektrisk felt , dannet rundt dem. Permanente magneter samhandler på avstand fordi det er en et magnetfelt .
Fysikere på 1800-tallet prøvde å presentere magnetfeltet som en analog av det elektrostatiske. De så på polene til en magnet som positive og negative magnetiske ladninger (henholdsvis nord- og sørpoler). Men de innså snart at isolerte magnetiske ladninger ikke eksisterer.
To elektriske ladninger av samme størrelse, men forskjellige i fortegn kalles elektrisk dipol . En magnet har to poler og er magnetisk dipol .
Ladningene i en elektrisk dipol kan enkelt skilles fra hverandre ved å kutte lederen i to deler, i forskjellige deler som de er plassert. Men dette vil ikke fungere med en magnet. Ved å dele en permanent magnet på samme måte vil vi få to nye magneter som hver også vil ha to magnetiske poler.
Leger som har sitt eget magnetfelt kalles magneter . Ulike materialer tiltrekkes forskjellig til dem. Det avhenger av strukturen til materialet. Egenskapen til materialer for å skape et magnetfelt under påvirkning av et eksternt magnetfelt kalles magnetisme .
Sterkest tiltrukket av magneter ferromagneter. Dessuten er deres eget magnetfelt, skapt av molekyler, atomer eller ioner, hundrevis av ganger større enn det eksterne magnetfeltet som forårsaket det. Ferromagnetiske elementer er slike kjemiske elementer som jern, kobolt, nikkel, samt noen legeringer.
Paramagneter – stoffer som magnetiseres i et ytre felt i dens retning. De er svakt tiltrukket av magneter. Kjemiske grunnstoffer aluminium, natrium, magnesium, salter av jern, kobolt, nikkel osv. er eksempler på paramagneter.
Men det er materialer som ikke tiltrekkes, men frastøtes av magneter. De kalles diamagnetiske materialer. De magnetiseres mot retningen til det ytre magnetfeltet, men avvises ganske svakt fra magnetene. Disse er kobber, sølv, sink, gull, kvikksølv, etc.
Ørsteds erfaring
Det er imidlertid ikke bare permanente magneter som skaper et magnetfelt.
I 1820 demonstrerte den danske fysikeren Hans Christian Ørsted, på en av sine forelesninger ved universitetet, for studenter et eksperiment med å varme opp en ledning fra en "voltaisk søyle". En av ledningene til den elektriske kretsen havnet på glassdekselet til et marinekompass som lå på bordet. Da forskeren lukket den elektriske kretsen og strømmen fløt gjennom ledningen, vek den magnetiske kompassnålen plutselig til siden. Selvfølgelig trodde Oersted først at det bare var en ulykke. Men ved å gjenta eksperimentet under de samme forholdene, fikk han det samme resultatet. Så begynte han å endre avstanden fra ledningen til pilen. Jo større den var, jo svakere avvek nålen. Men det er ikke alt. Ved å føre strøm gjennom ledninger laget av forskjellige metaller, oppdaget han at selv de som ikke var magnetiske, plutselig ble magneter når en elektrisk strøm gikk gjennom dem. Pilen avvek selv når den var skilt fra den strømførende ledningen av skjermer laget av materialer som ikke førte strøm: tre, glass, steiner. Selv når hun ble plassert i en tank med vann, fortsatte hun å avvike. Da den elektriske kretsen ble brutt, gikk den magnetiske kompassnålen tilbake til sin opprinnelige tilstand. Dette betydde det en leder som elektrisk strøm flyter gjennom skaper et magnetfelt, som får pilen til å peke i en bestemt retning.
Hans Christian Ørsted
Magnetisk induksjon
Styrkekarakteristikken til magnetfeltet er magnetisk induksjon . Dette er en vektormengde som bestemmer dens effekt på bevegelige ladninger på et gitt punkt i feltet.
Retningen til den magnetiske induksjonsvektoren faller sammen med retningen til nordpolen til den magnetiske nålen som ligger i magnetfeltet. Måleenheten for magnetisk induksjon i SI-systemet er tesla ( Tl) . Magnetisk induksjon måles med instrumenter kalt Teslameter.
Hvis feltmagnetiske induksjonsvektorer er like i størrelse og retning på alle punkter i feltet, kalles et slikt felt uniform.
Begrepet må ikke forveksles magnetisk feltinduksjon Og fenomenet elektromagnetisk induksjon .
Grafisk er magnetfeltet representert ved hjelp av kraftlinjer.
Strømledninger , eller linjer med magnetisk induksjon , kalles linjer hvis tangenter i et gitt punkt sammenfaller med retningen til den magnetiske induksjonsvektoren. Tettheten til disse linjene reflekterer størrelsen på den magnetiske induksjonsvektoren.
Et bilde av plasseringen av disse linjene kan fås ved å bruke enkle eksperiment. Ved å strø jernspon på et stykke glatt papp eller glass og legge det på en magnet, kan du se hvordan spånene er ordnet langs bestemte linjer. Disse linjene er i form av magnetfeltlinjer.
Magnetiske induksjonsledninger er alltid lukket. De har verken begynnelse eller slutt. Når de kommer ut av nordpolen, går de inn i sørpolen og blir låst inne i magneten.
Felt med lukkede vektorlinjer kalles virvel. Derfor er magnetfeltet vortex. På hvert punkt har den magnetiske induksjonsvektoren sin egen retning. Det bestemmes av retningen til den magnetiske pilen på dette punktet eller ved gimlet regel (for magnetfeltet rundt en strømførende leder).
Gimlet (skrue) regelen og høyrehåndsregelen
Disse reglene gjør det mulig å enkelt og ganske nøyaktig bestemme retningen til magnetiske induksjonslinjer uten å bruke noen fysiske instrumenter.
For å forstå hvordan det fungerer gimlet regel , tenk at vi med høyre hånd skruer inn en drill eller en korketrekker.
Hvis retningen for translasjonsbevegelsen til gimleten faller sammen med retningen for strømbevegelsen i lederen, faller rotasjonsretningen til gimlethåndtaket sammen med retningen til de magnetiske induksjonslinjene.
En variant av denne regelen er høyrehåndsregel .
Hvis du mentalt spenner en strømførende leder med høyre hånd på en slik måte at tommelen bøyd 90° viser retningen til strømmen, vil de resterende fingrene vise retningen til linjene for magnetisk induksjon av feltet skapt av dette strøm, og retningen til den magnetiske induksjonsvektoren rettet tangentielt til disse linjene.
Magnetisk fluks
La oss plassere en flat lukket krets i et jevnt magnetfelt. Verdien som er lik antall kraftlinjer som går gjennom overflaten av konturen kalles magnetisk fluks .
Ф = В· S cosα ,
Hvor F - størrelsen på magnetisk fluks;
I – modul av induksjonsvektoren;
S – konturområde;
α – vinkelen mellom retningen til den magnetiske induksjonsvektoren og normalen (vinkelrett) på konturplanet.
Med en endring i helningsvinkelen endres størrelsen på den magnetiske fluksen.
Hvis konturplanet er vinkelrett på magnetfeltet ( α = 0), så vil den magnetiske fluksen som passerer gjennom den være maksimal.
F maks = V S
Hvis kretsen er plassert parallelt med magnetfeltet ( α =90 0), så vil strømmen i dette tilfellet være lik null.
Lorentz kraft
Vi vet at det elektriske feltet virker på alle ladninger, uansett om de er i ro eller beveger seg. Et magnetfelt kan bare påvirke ladninger i bevegelse.
Et uttrykk for kraften som virker fra et magnetfelt på en enhet elektrisk ladning som beveger seg i den ble etablert av en nederlandsk teoretisk fysiker Hendrik Anton Lorenz Denne styrken ble tilkalt Lorentz kraft .
Hendrik Anton Lorenz
Lorentz kraftmodulen bestemmes av formelen:
F= q v B· sinα ,
Hvor q – kostnadsbeløpet;
v – hastighet på ladningsbevegelse i et magnetfelt;
B - modul av magnetfeltinduksjonsvektoren;
α - vinkelen mellom induksjonsvektoren og hastighetsvektoren.
Hvor er Lorentz-styrken rettet? Dette kan enkelt bestemmes ved hjelp av venstrehåndsregler : « Hvis du plasserer håndflaten på venstre hånd på en slik måte at de fire forlengede fingrene viser bevegelsesretningen til den positive elektriske ladningen, og magnetfeltlinjene kommer inn i håndflaten, vil tommelen bøyd med 90 0 vise retningen til Lorentz-styrken».
Amperes lov
I 1820, etter at Oersted slo fast at elektrisk strøm skaper et magnetfelt, ble den berømte franske fysikeren Andre Marie Ampere fortsatte forskning på samspillet mellom elektrisk strøm og magnet.
Andre Marie Ampere
Som et resultat av eksperimentene fant forskeren ut det til en rett leder med strøm plassert i et magnetfelt med induksjon I, virker kraften fra feltetF , proporsjonal med strømstyrken og magnetfeltinduksjonen. Denne loven ble kalt Amperes lov , og styrken ble tilkalt Ampere kraft .
F= Jeg L· B· sinα ,
Hvor Jeg – strømstyrke i lederen;
L - lengden på lederen i magnetfeltet;
B - modul av magnetfeltinduksjonsvektoren;
α - vinkelen mellom magnetfeltvektoren og strømmens retning i lederen.
Amperekraften har en maksimal verdi hvis vinkelen α tilsvarer 90 0.
Retningen til Ampere-kraften, som Lorentz-kraften, bestemmes også praktisk av venstrehåndsregelen.
Vi plasserer venstre hånd slik at de fire fingrene indikerer retningen til strømmen, og feltlinjene kommer inn i håndflaten. Deretter vil tommelen bøyd med 90 0 indikere retningen til Ampere-kraften.
Etter å ha observert samspillet mellom to tynne ledere med strøm, fant forskeren ut det parallelle ledere med strøm tiltrekker seg hvis strømmene flyter i dem i samme retning, og frastøter hvis retningene til strømmene er motsatte.
Jordens magnetfelt
Planeten vår er en gigantisk permanent magnet som det er et magnetfelt rundt. Denne magneten har nord- og sørpoler. I nærheten av dem er jordens magnetfelt sterkest. Kompassnålen er satt langs magnetiske linjer. Den ene enden av den er rettet mot nordpolen, den andre mot sør.
Jordens magnetiske poler bytter plass fra tid til annen. Det er sant at dette ikke skjer ofte. I løpet av de siste millioner årene har dette skjedd 7 ganger.
Magnetfeltet beskytter jorden mot kosmisk stråling, som har en ødeleggende effekt på alt levende.
Jordens magnetfelt påvirkes av solrik vind, som er en strøm av ioniserte partikler som rømmer fra solkoronaen med en enorm hastighet. Det er spesielt intensivert under solutbrudd. Partikler som flyr forbi planeten vår skaper ytterligere magnetiske felt, som et resultat av at egenskapene til jordens magnetfelt endres. oppstå magnetiske stormer. Riktignok varer de ikke lenge. Og etter en tid gjenopprettes magnetfeltet. Men de kan skape mange problemer, da de påvirker driften av kraftledninger og radiokommunikasjon, forårsaker funksjonsfeil i driften av forskjellige enheter og forverrer funksjonen til menneskets kardiovaskulære, luftveier og nervesystemer. Personer som er væravhengige er spesielt følsomme for dem.
Emner for Unified State Examination-kodifikatoren: fenomen med elektromagnetisk induksjon, magnetisk fluks, Faradays lov om elektromagnetisk induksjon, Lenz regel.
Oersteds eksperiment viste at elektrisk strøm skaper et magnetfelt i det omkringliggende rommet. Michael Faraday kom på ideen om at den motsatte effekten også kunne eksistere: magnetfeltet genererer på sin side en elektrisk strøm.
Med andre ord, la det være en lukket leder i et magnetfelt; Vil det oppstå en elektrisk strøm i denne lederen under påvirkning av et magnetfelt?
Etter ti år med leting og eksperimentering klarte Faraday endelig å oppdage denne effekten. I 1831 utførte han følgende eksperimenter.
1. To spoler ble viklet på samme trebase; viklingene til den andre spolen ble lagt mellom viklingene til den første og isolert. Terminalene til den første spolen ble koblet til en strømkilde, terminalene til den andre spolen ble koblet til et galvanometer (et galvanometer er en følsom enhet for måling av små strømmer). Dermed ble to kretser oppnådd: "strømkilde - første spole" og "andre spole - galvanometer".
Det var ingen elektrisk kontakt mellom kretsene, bare magnetfeltet til den første spolen penetrerte den andre spolen.
Da kretsen til den første spolen ble lukket, registrerte galvanometeret en kort og svak strømpuls i den andre spolen.
Når en konstant strøm gikk gjennom den første spolen, ble det ikke generert strøm i den andre spolen.
Da kretsen til den første spolen ble åpnet, oppsto det igjen en kort og svak strømpuls i den andre spolen, men denne gangen i motsatt retning sammenlignet med strømmen når kretsen var lukket.
Konklusjon.
Det tidsvarierende magnetfeltet til den første spolen genererer (eller, som de sier, induserer) elektrisk strøm i den andre spolen. Denne strømmen kalles indusert strøm.
Hvis magnetfeltet til den første spolen øker (i øyeblikket øker strømmen når kretsen er lukket), så flyter den induserte strømmen i den andre spolen i én retning.
Hvis magnetfeltet til den første spolen avtar (i øyeblikket avtar strømmen når kretsen åpnes), så flyter den induserte strømmen i den andre spolen i en annen retning.
Hvis magnetfeltet til den første spolen ikke endres (likestrøm gjennom den), er det ingen indusert strøm i den andre spolen.
Faraday kalte det oppdagede fenomenet elektromagnetisk induksjon(dvs. "induksjon av elektrisitet ved magnetisme").
2. For å bekrefte gjetningen om at induksjonsstrømmen genereres variabler magnetfelt flyttet Faraday spolene i forhold til hverandre. Kretsen til den første spolen forble lukket hele tiden, en likestrøm strømmet gjennom den, men på grunn av bevegelse (tilnærming eller avstand), befant den andre spolen seg i det vekslende magnetfeltet til den første spolen.
Galvanometeret registrerte igjen strømmen i den andre spolen. Induksjonsstrømmen hadde én retning når spolene nærmet seg hverandre, og en annen retning når de beveget seg bort. I dette tilfellet var styrken på induksjonsstrømmen større, jo raskere spolene beveget seg..
3. Den første spolen ble erstattet av en permanent magnet. Når en magnet ble brakt inn i den andre spolen, oppsto det en induksjonsstrøm. Da magneten ble trukket ut dukket strømmen opp igjen, men i en annen retning. Og igjen, jo raskere magneten beveget seg, jo større er styrken til induksjonsstrømmen.
Disse og påfølgende eksperimenter viste at en indusert strøm i en ledende krets oppstår i alle de tilfellene når "antall linjer" til magnetfeltet som penetrerer kretsen endres. Styrken på induksjonsstrømmen viser seg å være større, jo raskere dette antallet linjer endres. Strømretningen vil være én når antall linjer gjennom kretsen øker, og en annen når de avtar.
Det er bemerkelsesverdig at for størrelsen på strømmen i en gitt krets er det bare endringshastigheten i antall linjer som er viktig. Hva som nøyaktig skjer i dette tilfellet spiller ingen rolle - om selve feltet endres, trenger gjennom den stasjonære konturen, eller om konturen beveger seg fra et område med en tetthet av linjer til et område med en annen tetthet.
Dette er essensen av loven om elektromagnetisk induksjon. Men for å skrive en formel og gjøre beregninger, må du tydelig formalisere det vage konseptet "antall feltlinjer gjennom en kontur."
Magnetisk fluks
Konseptet med magnetisk fluks er nettopp en karakteristikk av antall magnetfeltlinjer som trenger inn i kretsen.
For enkelhets skyld begrenser vi oss til tilfellet med et ensartet magnetfelt. La oss vurdere en kontur av et område som ligger i et magnetisk felt med induksjon.
La først magnetfeltet være vinkelrett på kretsens plan (fig. 1).
Ris. 1.
I dette tilfellet bestemmes den magnetiske fluksen veldig enkelt - som produktet av magnetfeltinduksjonen og området til kretsen:
(1)
Tenk nå på det generelle tilfellet når vektoren danner en vinkel med normalen til konturplanet (fig. 2).
Ris. 2.
Vi ser at nå bare den vinkelrette komponenten til den magnetiske induksjonsvektoren "strømmer" gjennom kretsen (og komponenten som er parallell med kretsen "flyter" ikke gjennom den). Derfor, i henhold til formel (1), har vi . Men derfor
(2)
Dette er den generelle definisjonen av magnetisk fluks når det gjelder et jevnt magnetfelt. Merk at hvis vektoren er parallell med sløyfens plan (det vil si), så blir den magnetiske fluksen null.
Hvordan bestemme magnetisk fluks hvis feltet ikke er jevnt? La oss bare påpeke ideen. Konturflaten er delt inn i et meget stort antall svært små områder, innenfor hvilke feltet kan anses som ensartet. For hvert sted beregner vi sin egen lille magnetiske fluks ved hjelp av formel (2), og så summerer vi alle disse magnetiske fluksene.
Måleenheten for magnetisk fluks er weber(Wb). Som vi ser,
Wb = T · m = V · s. (3)
Hvorfor karakteriserer magnetisk fluks "antall linjer" i magnetfeltet som trenger inn i kretsen? Veldig enkelt. "Antall linjer" bestemmes av deres tetthet (og derfor deres størrelse - tross alt, jo større induksjon, jo tettere linjer) og det "effektive" området som penetreres av feltet (og dette er ikke mer enn ). Men multiplikatorene danner den magnetiske fluksen!
Nå kan vi gi en klarere definisjon av fenomenet elektromagnetisk induksjon oppdaget av Faraday.
Elektromagnetisk induksjon- dette er fenomenet med forekomsten av elektrisk strøm i en lukket ledende krets når den magnetiske fluksen som passerer gjennom kretsen endres.
indusert emf
Hva er mekanismen som indusert strøm oppstår med? Vi vil diskutere dette senere. Så langt er én ting klart: når den magnetiske fluksen som passerer gjennom kretsen endres, virker noen krefter på de frie ladningene i kretsen - ytre krefter, forårsaker bevegelse av ladninger.
Som vi vet, kalles arbeidet til eksterne krefter for å flytte en enkelt positiv ladning rundt en krets elektromotorisk kraft (EMF): . I vårt tilfelle, når den magnetiske fluksen gjennom kretsen endres, kalles den tilsvarende emk indusert emf og er utpekt.
Så, Induksjon emk er arbeidet med eksterne krefter som oppstår når den magnetiske fluksen gjennom en krets endres, og beveger en enkelt positiv ladning rundt kretsen.
Vi vil snart finne ut hva slags ytre krefter som oppstår i dette tilfellet i kretsen.
Faradays lov om elektromagnetisk induksjon
Styrken på induksjonsstrømmen i Faradays eksperimenter viste seg å være større, jo raskere den magnetiske fluksen gjennom kretsen endret seg.
Hvis endringen i magnetisk fluks på kort tid er lik , da hastighet endringer i magnetisk fluks er en brøkdel (eller, som er det samme, den deriverte av magnetisk fluks med hensyn til tid).
Eksperimenter har vist at styrken til induksjonsstrømmen er direkte proporsjonal med størrelsen på endringshastigheten til den magnetiske fluksen:
Modulen er installert for ikke å være assosiert med negative verdier foreløpig (tross alt, når den magnetiske fluksen avtar, vil den være ). Deretter vil vi fjerne denne modulen.
Fra Ohms lov for en komplett kjede har vi samtidig: . Derfor er den induserte emk direkte proporsjonal med endringshastigheten til den magnetiske fluksen:
(4)
EMF måles i volt. Men endringshastigheten for magnetisk fluks måles også i volt! Faktisk, fra (3) ser vi at Wb/s = V. Derfor er måleenhetene for begge deler av proporsjonalitet (4) sammenfallende, derfor er proporsjonalitetskoeffisienten en dimensjonsløs størrelse. I SI-systemet er det satt lik enhet, og vi får:
(5)
Det er det det er lov om elektromagnetisk induksjon eller Faradays lov. La oss gi det en verbal formulering.
Faradays lov om elektromagnetisk induksjon. Når den magnetiske fluksen som penetrerer en krets endres, vises en indusert emk i denne kretsen lik modulen til endringshastigheten til den magnetiske fluksen.
Lenz sin regel
Vi vil kalle den magnetiske fluksen, en endring som fører til utseendet til en indusert strøm i kretsen ekstern magnetisk fluks. Og selve magnetfeltet, som skaper denne magnetiske fluksen, vil vi kalle eksternt magnetfelt.
Hvorfor trenger vi disse vilkårene? Faktum er at induksjonsstrømmen som oppstår i kretsen skaper sin egen egen et magnetfelt som etter superposisjonsprinsippet legges til et eksternt magnetfelt.
Følgelig, sammen med den eksterne magnetiske fluksen, egen magnetisk fluks skapt av magnetfeltet til en induksjonsstrøm.
Det viser seg at disse to magnetiske fluksene - interne og eksterne - er sammenkoblet på en strengt definert måte.
Lenz sin regel. Den induserte strømmen har alltid en retning slik at dens egen magnetiske fluks forhindrer en endring i den eksterne magnetiske fluksen.
Lenz sin regel lar deg finne retningen til den induserte strømmen i enhver situasjon.
La oss se på noen eksempler på bruk av Lenz sin regel.
La oss anta at kretsen er penetrert av et magnetfelt, som øker med tiden (fig. (3)). For eksempel bringer vi en magnet nærmere konturen nedenfra, hvis nordpol i dette tilfellet er rettet oppover, mot konturen.
Den magnetiske fluksen gjennom kretsen øker. Den induserte strømmen vil være i en slik retning at den magnetiske fluksen den skaper hindrer økningen i ekstern magnetisk fluks. For å gjøre dette må magnetfeltet skapt av induksjonsstrømmen rettes imot eksternt magnetfelt.
Den induserte strømmen flyter mot klokken sett fra retningen til magnetfeltet den skaper. I dette tilfellet vil strømmen bli rettet med klokken sett ovenfra, fra siden av det eksterne magnetfeltet, som vist i (fig. (3)).
Ris. 3. Magnetisk fluks øker
Anta nå at magnetfeltet som trenger inn i kretsen avtar med tiden (fig. 4). For eksempel flytter vi magneten nedover fra sløyfen, og nordpolen til magneten peker mot sløyfen.
Ris. 4. Magnetisk fluks reduseres
Den magnetiske fluksen gjennom kretsen avtar. Den induserte strømmen vil ha en retning slik at dens egen magnetiske fluks støtter den eksterne magnetiske fluksen, og hindrer den i å avta. For å gjøre dette må magnetfeltet til induksjonsstrømmen rettes i samme retning, som det ytre magnetfeltet.
I dette tilfellet vil den induserte strømmen flyte mot klokken sett ovenfra, fra siden av begge magnetfeltene.
Interaksjon av en magnet med en krets
Så tilnærming eller fjerning av en magnet fører til utseendet av en indusert strøm i kretsen, hvis retning bestemmes av Lenzs regel. Men magnetfeltet virker på strømmen! En amperekraft vil virke på kretsen fra magnetfeltet. Hvor skal denne styrken ledes?
Hvis du ønsker å ha en god forståelse av Lenz regel og bestemmelsen av retningen til Ampere-styrken, prøv å svare på dette spørsmålet selv. Dette er ikke en veldig enkel øvelse og en utmerket oppgave for C1 på Unified State Exam. Vurder fire mulige tilfeller.
1. Vi bringer magneten nærmere kretsen, nordpolen er rettet mot kretsen.
2. Vi fjerner magneten fra kretsen, nordpolen er rettet mot kretsen.
3. Vi bringer magneten nærmere kretsen, sørpolen er rettet mot kretsen.
4. Vi fjerner magneten fra kretsen, sørpolen er rettet mot kretsen.
Ikke glem at magnetfeltet ikke er ensartet: feltlinjene divergerer fra nordpolen og konvergerer mot sør. Dette er veldig viktig for å bestemme den resulterende amperekraften. Resultatet er som følger.
Hvis du bringer magneten nærmere, blir kretsen frastøtt fra magneten. Hvis du fjerner magneten, blir kretsen tiltrukket av magneten. Således, hvis kretsen er suspendert på en tråd, vil den alltid avvike i retning av magnetens bevegelse, som om den følger den. Plasseringen av magnetpolene spiller ingen rolle i dette tilfellet..
I alle fall bør du huske dette faktum - plutselig dukker et slikt spørsmål opp i del A1
Dette resultatet kan forklares ut fra helt generelle betraktninger - ved å bruke loven om bevaring av energi.
La oss si at vi bringer magneten nærmere kretsen. En induksjonsstrøm vises i kretsen. Men for å skape en strøm må det jobbes! Hvem gjør det? Til syvende og sist flytter vi magneten. Vi utfører positivt mekanisk arbeid, som omdannes til positivt arbeid av eksterne krefter som oppstår i kretsen, og skaper en indusert strøm.
Så vår jobb med å flytte magneten bør være positivt. Dette betyr at når vi nærmer oss magneten, må vi overvinne kraften til interaksjonen til magneten med kretsen, som derfor er kraften frastøtning.
Fjern nå magneten. Gjenta disse argumentene og sørg for at det oppstår en tiltrekningskraft mellom magneten og kretsen.
Faradays lov + Lenz's regel = Modulfjerning
Ovenfor lovet vi å fjerne modulen i Faradays lov (5). Lenz sin regel tillater oss å gjøre dette. Men først må vi bli enige om tegnet på den induserte emf - tross alt, uten modulen på høyre side av (5), kan størrelsen på emk være enten positiv eller negativ.
Først av alt er en av to mulige retninger for å krysse konturen fast. Denne retningen er annonsert positivt. Den motsatte retningen for å krysse konturen kalles hhv. negativ. Hvilken kryssretning vi tar som positiv spiller ingen rolle - det er bare viktig å ta dette valget.
Den magnetiske fluksen gjennom kretsen anses som positiv class="tex" alt="(\Phi > 0)"> !}, hvis magnetfeltet som penetrerer kretsen er rettet dit, ser fra hvor kretsen krysses i positiv retning mot klokken. Hvis, fra enden av den magnetiske induksjonsvektoren, den positive retningen til runden sees med klokken, anses den magnetiske fluksen som negativ.
Den induserte emk anses som positiv class="tex" alt="(\mathcal E_i > 0)"> !}, hvis den induserte strømmen flyter i positiv retning. I dette tilfellet faller retningen til eksterne krefter som oppstår i kretsen når den magnetiske fluksen gjennom den endres sammen med den positive retningen for å omgå kretsen.
Tvert imot anses indusert emk som negativ hvis den induserte strømmen flyter i negativ retning. I dette tilfellet vil også eksterne krefter virke langs den negative retningen til kretsbypasset.
Så la kretsen være i et magnetisk felt. Vi fikser retningen til den positive kretsbypassen. La oss anta at magnetfeltet er rettet dit, ser fra hvor den positive omveien gjøres mot klokken. Da er den magnetiske fluksen positiv: class="tex" alt="\Phi > 0"> .!}
Ris. 5. Magnetisk fluks øker
Derfor har vi i dette tilfellet . Tegnet på den induserte emf viste seg å være motsatt av tegnet på endringshastigheten til den magnetiske fluksen. La oss sjekke dette i en annen situasjon.
La oss nemlig nå anta at den magnetiske fluksen avtar. I følge Lenz sin regel vil den induserte strømmen flyte i positiv retning. Det er, class="tex" alt="\mathcal E_i > 0"> !}(Fig. 6).
Ris. 6. Magnetisk fluks øker class="tex" alt="\Rightarrow \mathcal E_i > 0"> !}
Dette er faktisk det generelle faktum: med vår avtale om tegn, fører Lenz regel alltid til det faktum at tegnet på den induserte emk er motsatt av tegnet på endringshastigheten til magnetisk fluks:
(6)
Dermed er modultegnet i Faradays lov om elektromagnetisk induksjon eliminert.
Vortex elektrisk felt
La oss vurdere en stasjonær krets som ligger i et vekslende magnetfelt. Hva er mekanismen for forekomsten av induksjonsstrøm i kretsen? Nemlig hvilke krefter forårsaker bevegelse av gratis ladninger, hva er naturen til disse ytre kreftene?
For å prøve å svare på disse spørsmålene, oppdaget den store engelske fysikeren Maxwell en grunnleggende egenskap ved naturen: et tidsvarierende magnetfelt genererer et elektrisk felt. Det er dette elektriske feltet som virker på gratis ladninger, og forårsaker en indusert strøm.
Linjene til det resulterende elektriske feltet viser seg å være lukket, og det er grunnen til at det ble kalt virvel elektrisk felt. De elektriske virvelfeltlinjene går rundt magnetfeltlinjene og er rettet som følger.
La magnetfeltet øke. Hvis det er en ledende krets i den, vil den induserte strømmen flyte i samsvar med Lenzs regel - med klokken, sett fra enden av vektoren. Dette betyr at kraften som virker fra det elektriske virvelfeltet på de positive friladningene til kretsen også rettes dit; Dette betyr at vektoren til virvelens elektriske feltintensitet er rettet nøyaktig dit.
Så, intensitetslinjene til det elektriske virvelfeltet er rettet i dette tilfellet med klokken (se fra enden av vektoren, (fig. 7).
Ris. 7. Vortex elektrisk felt med økende magnetfelt
Tvert imot, hvis magnetfeltet avtar, blir intensitetslinjene til det elektriske virvelfeltet rettet mot klokken (fig. 8).
Ris. 8. Vortex elektrisk felt med avtagende magnetfelt
Nå kan vi bedre forstå fenomenet elektromagnetisk induksjon. Dens essens ligger nettopp i det faktum at et vekslende magnetfelt genererer et elektrisk virvelfelt. Denne effekten avhenger ikke av om en lukket ledende krets er tilstede i magnetfeltet eller ikke; Ved hjelp av en krets oppdager vi dette fenomenet kun ved å observere den induserte strømmen.
Det elektriske virvelfeltet skiller seg i noen egenskaper fra de elektriske feltene som allerede er kjent for oss: det elektrostatiske feltet og det stasjonære feltet av ladninger som danner en likestrøm.
1. Virvelfeltlinjene er lukket, mens de elektrostatiske og stasjonære feltlinjene begynner på positive ladninger og slutter på negative.
2. Virvelfeltet er ikke-potensiale: dets arbeid med å flytte en ladning langs en lukket sløyfe er ikke null. Ellers kunne ikke virvelfeltet skape en elektrisk strøm! Samtidig er, som vi vet, elektrostatiske og stasjonære felt potensial.
Så, Induksjon emk i en stasjonær krets er arbeidet til et elektrisk virvelfelt for å flytte en enkelt positiv ladning rundt kretsen.
La for eksempel kretsen være en ring med radius og penetrert av et jevnt vekslende magnetfelt. Da er intensiteten til det elektriske virvelfeltet den samme på alle punkter i ringen. Arbeidsstyrken som virvelfeltet virker med på ladningen er lik:
Derfor får vi for den induserte emf:
Induksjon emk i en bevegelig leder
Hvis en leder beveger seg i et konstant magnetfelt, vises også en indusert emk i den. Årsaken nå er imidlertid ikke det elektriske virvelfeltet (det oppstår ikke - tross alt er magnetfeltet konstant), men virkningen av Lorentz-kraften på de frie ladningene til lederen.
La oss vurdere en situasjon som ofte oppstår i problemer. Parallelle skinner er plassert i et horisontalt plan, avstanden mellom dem er lik . Skinnene er i et vertikalt jevnt magnetfelt. En tynn ledende stang beveger seg langs skinnene med en hastighet på ; den forblir vinkelrett på skinnene hele tiden (fig. 9).
Ris. 9. Bevegelse av en leder i et magnetfelt
La oss ta en positiv gratis ladning inne i stangen. På grunn av bevegelsen av denne ladningen sammen med stangen i en hastighet, vil Lorentz-kraften virke på ladningen:
Denne kraften er rettet langs stangens akse, som vist på figuren (se dette selv - ikke glem medurs- eller venstrehåndsregelen!).
Lorentz-kraften spiller i dette tilfellet rollen som en ytre kraft: den setter i gang stangens frie ladninger. Når du flytter en ladning fra punkt til punkt, vil vår ytre kraft gjøre arbeid:
(Vi anser også at lengden på stangen er lik .) Derfor vil den induserte emf i stangen være lik:
(7)
Dermed ligner en stang på en strømkilde med en positiv terminal og en negativ terminal. Inne i stangen, på grunn av virkningen av en ekstern Lorentz-kraft, oppstår en separasjon av ladninger: positive ladninger beveger seg til punktet, negative ladninger beveger seg til punktet.
La oss først anta at skinnene ikke leder strøm Da vil bevegelsen av ladninger i stangen gradvis stoppe. Faktisk, ettersom positive ladninger akkumuleres på slutten og negative ladninger på slutten, vil Coulomb-kraften som den positive frie ladningen blir frastøtt fra og tiltrukket av øke - og på et tidspunkt vil denne Coulomb-kraften balansere Lorentz-kraften. En potensialforskjell lik den induserte emf (7) vil bli etablert mellom endene av stangen.
Anta nå at skinnene og jumperen er ledende. Da vil en indusert strøm vises i kretsen; det vil gå i retningen (fra "pluss-kilden" til "minus" N). La oss anta at motstanden til stangen er lik (dette er en analog av den interne motstanden til strømkilden), og motstanden til seksjonen er lik (motstanden til den eksterne kretsen). Da vil styrken til induksjonsstrømmen bli funnet i henhold til Ohms lov for hele kretsen:
Det er bemerkelsesverdig at uttrykk (7) for den induserte emf også kan oppnås ved å bruke Faradays lov. La oss gjøre det.
Over tid går stangen vår en vei og tar en posisjon (fig. 9). Arealet av konturen øker med arealet av rektangelet:
Den magnetiske fluksen gjennom kretsen øker. Den magnetiske fluksinkrementet er lik:
Endringshastigheten for magnetisk fluks er positiv og lik den induserte emk:
Vi fikk samme resultat som i (7). Retningen til induksjonsstrømmen, legger vi merke til, følger Lenz sin regel. Faktisk, siden strømmen flyter i retningen, er dets magnetiske felt rettet motsatt av det eksterne feltet og forhindrer derfor økningen i magnetisk fluks gjennom kretsen.
I dette eksemplet ser vi at i situasjoner der en leder beveger seg i et magnetfelt, kan vi handle på to måter: enten ved å bruke Lorentz-kraften som en ytre kraft, eller ved å bruke Faradays lov. Resultatene vil være de samme.