Зависимости магнитного потока
Используя формулу, можно увидеть, что магнитный поток зависит от трех переменных: магнитного поля B, площади S и угла α.
Магнитный поток линейно зависит от B и S. Например, если увеличить площадь S, но оставить неизменными магнитное поле B и угол α, магнитный поток будет больше. Следовательно, большая площадь означает большой поток, а маленькая площадь означает малый магнитный поток.
Если, с другой стороны, магнитное поле В увеличить, магнитный поток также увеличится. Сильное магнитное поле приводит к большому магнитному потоку, слабое поле — к маленькому магнитному потоку.
В общем, чем больше магнитное поле B или площадь S, тем больше магнитный поток.
Ситуация с углом α несколько сложнее. Представьте, что ваша поверхность перпендикулярна магнитному полю, тогда угол α = 0°. Здесь у вас самый большой магнитный поток. Если теперь шаг за шагом угол увеличивается, магнитный поток уменьшается.
Когда вы достигаете α = 90°, магнитный поток равен нулю, потому что магнитное поле параллельно поверхности. После этого она снова начинает увеличиваться.
Измерительные приборы
Сопротивление резистора — формула для расчета
Магнитные потоки, определяемые с помощью специальных приборов — флюксметров, измеряют как в лабораторных, так и в полевых условиях. Единицы также называются вебер-метрами.
Особенностью такого измерительного устройства в магнитоэлектрической системе (МЭС) является то, что ток подается на подвижную бескаркасную рамку по спиралям, не имеющим противодействующего крутящего момента (безмоментные).
Обратите внимание на следующее! В тот момент, когда тока нет, стрелка прибора не имеет фиксированного положения на шкале.
Программа для использования и устройства для флюксметра
Блок состоит из следующих частей, отмеченных на рис выше:
- проверенный постоянный магнит — 1;
- измерительная рамка — 2;
- рама агрегата — 3;
- магнит блока — 4;
- каркас корректирующего блока — 5;
- кнопка регулировки рамки коррекции — 6;
- переключатель «работа — коррекция» — 7.
Флюксметр не может измерять слабые магнитные поля из-за низкой чувствительности.
Теорема Гаусса для магнитной индукции
Заделка кабеля
Великий немецкий ученый Карл Гаусс, выдающийся в математике, физике и астрономии, вывел закон (теорему) в магнетизме. Он доказал, что, в отличие от электрического поля, создаваемого электрическими зарядами, МП не создается магнитными зарядами. Их просто не существует в классической электродинамике.
Информация Теорема, которую вывел Гаусс, относится к основным законам электродинамики и является частью системы уравнений Максвелла. Он описывает связь между потоком напряженности электрического поля, пронизывающим произвольную замкнутую поверхность, и суммой зарядов, находящихся в объеме, очерченном этой поверхностью. Сумма выражается в алгебраической форме.
Квантование магнитного потока
Прокладка кабеля в гофрированной трубе
В 1961 г практически было установлено, что если через петлевой сверхпроводник, по которому течет электричество, пропустить магнитный поток, то величина Ф будет кратна кванту потока Ф0 = h/2e = 2,067833758*10-15Вб. Это значение СИ.
Такой эксперимент провели американцы Дивер и Фэрбэнк. Они проводили квантование с помощью трубки полой конструкции, пропуская через нее круговые токи сверхпроводящего характера. В результате их квантовая размерность оказалась в два раза меньше.
Это было связано с тем, что электроны в сверхпроводящем состоянии были разбиты на пары. Частицы образовывали пары с зарядом 2e. Именно движение этих пар и составляет природу сверхпроводящего тока.
К вашему сведению. Сверхпроводники — это материалы, сопротивление которых резко падает при снижении температуры до определенного значения. Он практически равен нулю, тогда можно говорить о сверхпроводящих свойствах. Металлы, являющиеся прекрасными проводниками — золото, серебро, платина — не приобретают в таких условиях сверхпроводящих способностей.
Постоянные магниты
Постоянные магниты могут служить источником магнитного поля (МП). Они сделаны из магнетита. В природе он известен как оксид железа. Это черный минерал с молекулярной структурой FeO·Fe2O3. Свойства магнитов известны с древних времен. Магниты имеют два полюса — северный и южный.
Постоянные магниты можно классифицировать по следующим признакам:
- материал, из которого изготовлен магнит;
- форма;
- сфера использования.
Постоянные полюсные магниты изготавливаются из разных материалов:
- ферриты — прессованные изделия из порошков оксида железа и оксидов других металлов;
- редкоземельные – нодим (NdFeB), самарий (SmCo), литейные (металлические сплавы), полимерные (магнитопласт).
Форма магнитов самая разная:
- цилиндрический (прямоугольный);
- подкова;
- кольцевой;
- дискообразный.
Важно! В зависимости от формы соответственно меняется положение полюсов и направление магнитных линий вблизи поля.
Направление силовых линий магнитного поля зависит от формы магнита
Постоянные магниты нашли широкое применение в различных отраслях народного хозяйства:
- МРТ — медицинский прибор для диагностики человеческого организма;
- жесткие диски в современных компьютерах;
- в радиотехнике, в производстве громкоговорителей;
- изготовление декоративных украшений с использованием магнитов на полимерной основе.
В двигателях постоянного тока такие магниты установлены в корпусе индуктора.
Электромагниты
Следующим типом устройств, предназначенных для создания МП, является электромагнит. Когда по обмотке протекает электрический ток, сердечник становится магнитом. Итак, электромагнит состоит из следующих частей:
- сердечник (магнитопровод);
- обмотка.
Это тип индуктора, называемый соленоидом.
Сердечник может быть изготовлен из ферримагнитного материала или набора пластин из электротехнической стали.
Обмотка намотана алюминиевым или медным проводом, покрытым изоляцией.
Электромагниты (ЭМ) можно классифицировать по следующим параметрам:
- магниты постоянного тока — нейтральные;
- магниты постоянного тока — поляризованные;
- единиц переменного тока.
Нейтральный ЭМ — создание магнитного потока происходит таким образом, что величина притяжения увеличивается с увеличением силы тока и не подчиняется направлению движения электрона.
Поляризованный ЭМ содержит:
- рабочая обмотка — сделать рабочую Φ;
- постоянный магнит — чтобы указать поляризующую Φ.
Обмотки ЭД переменного тока питаются синусоидальным током, поэтому их Ф изменяется по периодическому закону.
Единица измерения и обозначение магнитного потока
Магнитное поле B имеет единицу Тесла (Тл), а площадь имеет единицу квадратного метра м2 .
Ток является скалярной величиной и единицей измерения является вебер (Вб): 1 Вб = 1 Тл * м2, то есть Ф = Т * м2. Магнитный поток обозначается как Ф (символ формулы греч фи).
Магнитный поток
Прежде чем понять, что такое электромагнитая индукция, необходимо дать определение такой единице, как магнитный поток.
Представьте, что вы взяли в руки обруч и вышли под ливень. Чем сильнее ливень, тем больше воды пройдет через этот обруч — расход воды больше.
Если обруч расположен горизонтально, через него пройдет много воды. А если его начать крутить — уже меньше, потому что он расположен не под прямым углом к вертикали.
Теперь поставим обруч вертикально — через него не пройдет ни одна капля (если, конечно, не дует ветер).
Магнитный поток — это по сути тот же поток воды через обруч, только мы учитываем величину магнитного поля, прошедшего через площадь, а не дождь.
Магнитный поток через площадь S контура представляет собой скалярную физическую величину, равную произведению модуля вектора магнитной индукции B, площади поверхности S, пронизанной этим потоком, и косинуса угла α между направлением вектора магнитной индукции и вектором нормали (перпендикулярно плоскости данной поверхности):
| Магнитный поток
Ф — магнитный поток Вб B — магнитная индукция Тл S — проникающая поверхность [м^2] n — вектор нормали (перпендикулярно поверхности) [-] |
Магнитный поток можно представить как величину, пропорциональную количеству магнитных линий, проходящих через данную площадь.
В зависимости от угла α магнитный поток может быть положительным (α < 90°) или отрицательным (α > 90°). Если α = 90°, то магнитный поток равен 0. Это зависит от косинуса угла.
Магнитный поток можно изменить, изменив площадь контура, модуль индукции поля или положение контура в магнитном поле (перевернуть его).
В случае неоднородного магнитного поля и неплоского контура магнитный поток находится как сумма магнитных потоков, пронизывающих площадь каждого из участков, на которые можно разделить эту поверхность.
Читайте также: Автоэлектрика – что нужно знать автовладельцу
Электромагнитная индукция
Электромагнитная индукция — явление возникновения тока в замкнутом проводящем контуре при изменении пронизывающего его магнитного потока.
Явление электромагнитной индукции было открыто М. Фарадеем.
Майкл Фарадей провел серию экспериментов, которые помогли открыть явление электромагнитной индукции.
Опыт раз. На непроводящем основании были намотаны две катушки: витки первой катушки располагались между обмотками второй. Витки одной катушки замыкались на гальванометр, а другая подключалась к источнику тока.
При замыкании ключа и прохождении тока через вторую катушку в первой возникал импульс тока. При открывании ключа также наблюдался импульс тока, но ток через гальванометр шел в обратном направлении.
Опыт два. Первая катушка была подключена к источнику тока, а вторая к гальванометру. При этом вторая катушка перемещалась относительно первой. При приближении или удалении катушки регистрировался ток.
Опыт древесины. Катушка замкнута на гальванометр, а магнит движется внутрь (вне) по отношению к катушке
Вот что показали эти эксперименты:
- Индукционный ток возникает только при изменении линий магнитной индукции.
- Направление потока будет разным при увеличении количества линий и при их уменьшении.
- Сила индукционного тока зависит от скорости изменения магнитного потока. Само поле может измениться, или контур может двигаться в неоднородном магнитном поле.
| Почему возникает индукционный ток?
Ток в цепи может существовать, когда внешние силы действуют на свободные заряды. Работа этих сил при перемещении одиночного положительного заряда по замкнутому контуру равна ЭДС. Это означает, что при изменении числа магнитных линий через поверхность, ограниченную контуром, в ней возникает ЭДС, называемая ЭДС индукции. |
Закон электромагнитной индукции
Закон электромагнитной индукции (закон Фарадея:
ЭДС индукции в замкнутом контуре равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром.
Математически это можно описать формулой:
| Закон Фарадея
Ɛi — ЭДС индукции [В] ΔФ/Δt — скорость изменения магнитного потока [Вб/с] |
знак «–» в формуле позволяет учитывать направление индукционного тока. Индукционный ток в замкнутом контуре всегда направлен так, что магнитный поток поля, создаваемого этим током, через поверхность, ограниченную контуром, будет уменьшать изменения поля, вызвавшие появление индукционного тока.
Если цепь состоит из N витков (то есть представляет собой катушку), ЭДС индукции будет рассчитываться следующим образом.
| Закон Фарадея для цепи с N витками
Ɛi — ЭДС индукции [В] ΔФ/Δt — скорость изменения магнитного потока [Вб/с] N — количество витков [-] |
Сила индукционного тока в замкнутой проводящей цепи сопротивлением R:
| Закон Ома для проводящей цепи
Ɛi — ЭДС индукции [В] I — сила индукционного тока [А] R — сопротивление контура [Ом] |
Если проводник длиной l движется со скоростью vi в постоянном однородном магнитном поле индукции B, то ЭДС электромагнитной индукции равна:
| ЭДС индукции для движущегося проводника
Ɛi — ЭДС индукции [В] B — магнитная индукция Тл v — скорость проводника [м/с] l — длина проводника [м] |
Возникновение ЭДС индукции в проводнике, движущемся в магнитном поле, объясняется действием силы Лоренца на свободные заряды в движущихся проводниках. Сила Лоренца в этом случае играет роль внешней силы.
Проводник, движущийся в магнитном поле, по которому течет индукционный ток, испытывает магнитное торможение. Суммарная работа силы Лоренца равна нулю.
Количество теплоты в цепи выделяется либо за счет работы внешней силы, удерживающей скорость проводника неизменной, либо за счет уменьшения кинетической энергии проводника.
Изменение магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур, может происходить по двум причинам:
- за счет движения контура или его частей в постоянном во времени магнитном поле. Это тот случай, когда проводники, а вместе с ними и свободные носители заряда, движутся в магнитном поле
- за счет изменения во времени магнитного поля при неподвижном контуре. В этом случае возникновение ЭДС индукции уже нельзя объяснить действием силы Лоренца. Явление электромагнитной индукции в твердых проводниках, возникающее при изменении окружающего магнитного поля, также описывается формулой Фарадея
Таким образом, явления индукции в движущихся и неподвижных проводниках протекают одинаково, но физическая причина возникновения индукционного тока оказывается в этих двух случаях различной:
- в случае движущихся проводников ЭДС индукции обусловлена силой Лоренца
- в случае твердых проводников ЭДС индукции является следствием действия на свободные заряды вихревого электрического поля, возникающего при изменении магнитного поля.
Правило Ленца
Для определения направления индукционного тока необходимо использовать правило Ленца.
Технически это правило звучит так: индукционный ток, возбуждаемый в замкнутой цепи при изменении магнитного потока, всегда направлен так, чтобы создаваемое им магнитное поле препятствовало изменению магнитного потока, вызывающему индукционный ток.
Попробуем немного проще: катушка в данном случае — недовольная бабка. Они забирают у нее магнитный поток — она недовольна и создает магнитное поле, которое этот магнитный поток хочет забрать обратно.
Дают ей магнитный поток, отбирают, мол, пользуйся, а она говорит: «Зачем ты мне свой магнитный поток отдал!» и создает магнитное поле, которое этот магнитный поток вытесняет.
