"Физика", Андрюшечкин С.М.
Электрические и магнитные явления описывают, как движутся заряды, взаимодействуют токи и изменяются магнитные поля. Эти знания помогают рассчитывать параметры цепей, понимать работу электродвигателей и генераторов и объяснять получение электрической энергии. Главное — различать силу тока, напряжение и сопротивление, применять закон Ома и помнить: магнитное поле действует на ток, а меняющееся магнитное поле может вызвать ток.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Электрический ток — направленное движение заряженных частиц. Для его существования нужны свободные носители заряда и электрическое поле, которое приводит их в упорядоченное движение. Силу тока обозначают I и измеряют в амперах (А). Она показывает, какой заряд проходит через сечение проводника за единицу времени.
Напряжение — физическая величина, характеризующая работу электрического поля по перемещению заряда. Его обозначают U и измеряют в вольтах (В). Напряжение помогает оценить, какую работу поле совершает при переносе заряда между точками цепи. Поэтому его измеряют между двумя точками, а не «внутри» отдельного заряда.
Сопротивление — характеристика участка цепи, показывающая, насколько этот участок препятствует электрическому току. Сопротивление обозначают R, его единица измерения — ом (Ом). Чем больше сопротивление при одинаковом напряжении, тем меньше сила тока. Эта величина нужна, чтобы описывать свойства проводника и рассчитывать цепи.
Магнитная индукция — векторная величина, характеризующая магнитное поле. Её обозначают B и измеряют в теслах (Тл). Направление вектора показывают магнитные линии: снаружи магнита они идут от северного полюса к южному. Направление поля вокруг проводника с током находят правилом правой руки или буравчика.
Заряды в проводнике могут двигаться хаотично, но такое движение само по себе ещё не является током. Чтобы возникло направленное движение, на носители должно действовать электрическое поле; его создаёт источник тока. В замкнутой цепи заряды проходят через источник и остальные элементы по непрерывному пути. Если цепь разомкнуть, путь прерывается, поэтому устойчивый ток прекращается.
Сила тока, напряжение и сопротивление связаны законом Ома для участка цепи: I = U/R. Если сопротивление постоянно, увеличение напряжения приводит к увеличению тока, потому что поле сильнее действует на заряды. Если напряжение постоянно, рост сопротивления уменьшает ток: участку труднее пропускать заряды. Зная любые две величины, по закону Ома можно вычислить третью.
Движущиеся заряды создают вокруг проводника магнитное поле, поэтому ток обнаруживается не только по нагреванию или свечению. При изменении направления тока меняется и направление магнитных линий. Чтобы установить направление поля, правую руку располагают так, чтобы большой палец указывал по току: согнутые пальцы показывают направление линий. То же соотношение описывает правило буравчика: вращение соответствует линиям поля, а поступательное движение — току.
На проводник с током, помещённый в магнитное поле, действует сила Ампера. Её направление зависит одновременно от направления тока и магнитного поля, поэтому нельзя определить его, учитывая только один из этих факторов. Для правила левой руки линии поля должны входить в ладонь, а четыре пальца направляют по току; отставленный большой палец укажет силу. Величина силы зависит от магнитной индукции, тока, длины проводника в поле и угла между проводником и линиями поля.
Индукционный ток появляется, когда меняется магнитный поток через контур — например, катушку. Поток меняется, если изменяется магнитное поле, перемещается магнит или движется сам контур относительно поля. Причина тока не в простом присутствии магнита, а в изменении условий прохождения поля через контур. Чем быстрее происходит изменение потока, тем заметнее возникает индукционный ток.
| Величина или явление | Обозначение | Единица измерения | Связь или правило |
|---|---|---|---|
| Сила тока | I | ампер (А) | I = q/t |
| Напряжение | U | вольт (В) | U = A/q |
| Сопротивление | R | ом (Ом) | R = U/I |
| Закон Ома для участка цепи | I, U, R | — | I = U/R |
| Магнитная индукция | B | тесла (Тл) | Направление — по магнитным линиям |
| Сила, действующая на проводник с током | F | ньютон (Н) | F = BIl sin α |
| Электромагнитная индукция | — | — | Изменение магнитного потока вызывает ток |
Сначала определите, какая величина известна и что требуется найти, затем выберите подходящую строку и формулу. Перед подстановкой проверьте, что величины выражены в согласованных единицах. Для направления магнитных явлений формула не заменяет правило: используйте соответствующий способ определения направления.
Задача 1. Через резистор сопротивлением 6 Ом проходит ток 2 А. Найти напряжение на резисторе. Из условия известны I и R, а требуется U. Значит, удобно использовать закон Ома в форме U = IR.
Ответ: напряжение на резисторе равно 12 В. Проверка проста: если U = 12 В и R = 6 Ом, то I = U/R = 2 А, как и дано. Такой обратный расчёт помогает заметить ошибку в формуле или вычислениях.
Задача 2. Прямой проводник длиной 0,2 м находится в поле с индукцией 0,5 Тл перпендикулярно линиям поля. Сила тока равна 3 А. Найти силу, действующую на проводник. Здесь нужно применить формулу силы Ампера F = BIl sin α. Поскольку проводник перпендикулярен полю, α = 90°, а sin 90° = 1.
Ответ: на проводник действует сила 0,3 Н. Перпендикулярное положение даёт максимальную силу для заданных B, I и l. Если бы проводник шёл вдоль линий поля, синус угла был бы равен нулю и сила Ампера не действовала бы.
Задача 3. Катушку подключили к гальванометру и быстро внесли в магнитное поле. Стрелка прибора отклонилась, потому что через катушку менялся магнитный поток, и в ней возник индукционный ток. Гальванометр реагирует на этот ток, поэтому показывает отклонение. Если вносить катушку быстрее, поток будет изменяться за меньшее время, и эффект станет заметнее.
Ответ: стрелка отклоняется из-за индукционного тока; при более быстром внесении катушки отклонение будет сильнее. Если оставить катушку неподвижной в постоянном поле, поток перестанет меняться. Тогда индукционный ток исчезнет.
Ошибка: считать ток запасом заряда в проводнике. Так могут думать, потому что проводник содержит заряженные частицы, но сила тока описывает не их количество, а заряд, проходящий через сечение за единицу времени. Проверьте себя: ток определяют как I = q/t, поэтому при отсутствии направленного движения тока нет.
Ошибка: путать напряжение с силой тока. Обе величины относятся к электрической цепи, поэтому их иногда принимают за разные названия одного и того же. Проверка: ток I измеряется в амперах, напряжение U — в вольтах; в законе Ома они занимают разные места и имеют разные смыслы.
Ошибка: определять направление силы Ампера, не учитывая и ток, и магнитное поле. Её допускают, когда применяют правило левой руки, но неправильно задают одно из направлений. Перед выводом проверьте оба условия: линии поля входят в ладонь, пальцы направлены по току, большой палец показывает силу.
Ошибка: считать, что индукционный ток возникает просто при наличии магнитного поля. Постоянное поле само по себе не гарантирует изменения магнитного потока, поэтому при неподвижном контуре ток может отсутствовать. Чтобы проверить решение, спросите, что именно меняется: поле, площадь контура или его положение относительно поля.
Для понимания тока нужны знания о заряде, электрическом поле, строении вещества и движении частиц в проводниках. Свободные носители заряда объясняют, какие частицы могут двигаться, а поле — почему их движение становится направленным. Эти представления связывают свойства вещества с явлениями в цепи.
Решение задач по электрическим цепям опирается на измерение физических величин и преобразование формул. Нужно различать обозначения, переводить единицы и выбирать форму закона Ома под известные данные. Такие навыки помогают проверять расчёты и оценивать, правдоподобен ли результат.
Знания о токе и магнитном поле понадобятся при изучении электродвигателей и генераторов. В двигателе сила действует на проводник с током в магнитном поле, а в генераторе изменение магнитного потока помогает получать электрический ток. Так электрические и магнитные явления связаны с преобразованием энергии.
Чем сила тока отличается от напряжения?
Сила тока показывает, какой заряд проходит через поперечное сечение проводника за единицу времени. Напряжение характеризует работу электрического поля при перемещении заряда. Это разные величины, хотя обе связаны с работой цепи.
Почему для возникновения тока нужна замкнутая цепь?
В замкнутой цепи заряды могут непрерывно двигаться по всему пути, а источник поддерживает электрическое поле. При разрыве цепи движение зарядов прекращается, поэтому устойчивого тока нет.
Как определить направление магнитного поля вокруг проводника с током?
Используют правило правой руки: большой палец направляют по току, а согнутые пальцы показывают направление магнитных линий. Можно также применить правило буравчика: направление его вращения соответствует линиям поля.
От чего зависит направление силы, действующей на проводник с током?
Направление силы зависит от направления тока и магнитного поля. Его определяют правилом левой руки: линии поля входят в ладонь, четыре пальца направлены по току, а отставленный большой палец показывает силу.
Почему в неподвижной катушке возникает ток, когда меняется магнитное поле?
Изменяющееся поле меняет магнитный поток через катушку. Это вызывает индукционный ток, даже если сама катушка неподвижна: достаточно изменения поля, проходящего через её контур.
§ 22. Повторение темы «Электрические и магнитные явления»
