"Физика", Изергин Э.Т.
Магнитное поле создаётся электрическими токами и постоянными магнитами и обнаруживается по действию на магнитную стрелку или проводник с током. Его характеризует вектор магнитной индукции B, а направление поля показывают силовыми линиями. Изменение магнитного потока через замкнутый контур вызывает индукционный ток. Эти явления объясняют работу электромагнитов, двигателей и генераторов, преобразующих механическую энергию в электрическую.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Магнитное поле — особая форма материи, создаваемая постоянными магнитами и электрическими токами. Обнаружить его можно по повороту магнитной стрелки или по действию на проводник с током. Это понятие нужно, чтобы описывать магнитные взаимодействия не только словами, но и с помощью направления и силы.
Магнитная индукция — вектор B, который характеризует магнитное поле в данной точке. Направление B совпадает с направлением, куда указывает северный полюс магнитной стрелки, а величина связана с действием поля на ток. Магнитную индукцию измеряют в теслах, обозначение — Тл.
Электромагнитная индукция — возникновение электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока через него. Поток меняется, например, при движении магнита относительно катушки или при изменении самого поля. Явление позволяет получать электрический ток без непосредственного подключения источника к контуру.
Электромагнит — катушка с током, обычно надетая на железный или другой ферромагнитный сердечник. Катушка создаёт магнитное поле, а сердечник усиливает и сосредоточивает его. Силу действия изменяют током, числом витков и свойствами сердечника.
Магнитное поле обнаруживают по его действию, потому что непосредственно увидеть его нельзя. Магнитная стрелка поворачивается вдоль поля, а проводник с током испытывает силу. Силовые линии служат условным способом изображения: касательная к линии показывает направление B, а более густое расположение линий означает более сильное поле.
Сила, действующая на проводник, зависит от силы тока, длины участка в поле, магнитной индукции и угла между проводником и линиями поля. Чем больше ток, длина проводника и B, тем сильнее действие при прочих равных условиях. Направление силы определяют правилом левой руки: поле входит в ладонь, пальцы направлены по току, а большой палец показывает силу.
Катушка создаёт поле, потому что каждый её виток является проводником с током. Поля отдельных витков складываются внутри катушки, поэтому снаружи она имеет северный и южный полюса, подобно постоянному магниту. Железный сердечник намагничивается полем витков, усиливает его и делает действие электромагнита заметно сильнее.
Индукционный ток появляется не от самого присутствия магнита, а от изменения магнитного потока через контур. Поток можно изменить движением магнита или катушки, поворотом контура, изменением площади контура либо силы внешнего поля. Направление индукционного тока таково, что создаваемое им поле противодействует изменению потока: это называют правилом Ленца.
Генератор использует электромагнитную индукцию: его катушка или магнит вращается, и поток через контур непрерывно меняется. Для вращения нужна механическая энергия, например энергия турбины. В результате механическая энергия преобразуется в электрическую, которую затем передают потребителям.
| Понятие или явление | Что происходит | От чего зависит или как определить | Пример применения |
|---|---|---|---|
| Магнитное поле и силовые линии | Поле действует на магниты и токи; линии условно показывают его направление. | Направление находят по магнитной стрелке или вектору B; густота линий показывает относительную силу. | Изображение поля магнита, компас. |
| Действие поля на проводник с током | На проводник действует магнитная сила. | Она зависит от тока, длины проводника, B и угла; направление определяют правилом левой руки. | Электродвигатель. |
| Электромагнит и способы усиления его действия | Катушка с током и сердечник создают сильное управляемое поле. | Увеличивают ток или число витков, используют ферромагнитный сердечник. | Реле, подъёмный кран. |
| Электромагнитная индукция | В замкнутом контуре возникает ток при изменении магнитного потока. | Проверяют, меняется ли поток; направление тока подчиняется правилу Ленца. | Индукционная катушка. |
| Генератор электрического тока | Механическая энергия превращается в электрическую. | Вращение изменяет магнитный поток и вызывает индукционный ток. | Электростанция. |
Таблица помогает быстро сопоставить явление, его причину и способ определения. При повторении сначала назовите, что происходит, затем объясните зависимость или правило и приведите пример применения. Так легче отличить действие магнитного поля от электромагнитной индукции.
Задача 1. Прямой проводник расположен вертикально, ток направлен вверх. Нужно изобразить линии магнитного поля и определить их направление. Рассуждаем о поле в горизонтальной плоскости вокруг провода.
Ответ: силовые линии имеют вид концентрических окружностей вокруг проводника; при токе вверх их направление находят по правилу правой руки.
Задача 2. Между полюсами магнита проводник расположен горизонтально, ток в нём направлен вправо, а линии магнитного поля идут от северного полюса к южному. Требуется определить направление силы. Из условия берём только три направления: поля, тока и силы.
Ответ: направление силы определяется положением большого пальца левой руки после совмещения ладони с полем и пальцев с током.
Задача 3. Замкнутую катушку сначала приближают к магниту, затем магнит оставляют неподвижным, а после удаляют. Нужно установить, появится ли ток и как рассуждать о его направлении. Главный вопрос — меняется ли магнитный поток через катушку.
Ответ: ток возникает при приближении и удалении магнита, но отсутствует при его неподвижности; направление всегда противодействует изменению потока.
Магнитные линии иногда считают реальными нитями или траекториями частиц. Это условный рисунок поля, а направление линии показывает направление B; проверить себя можно, мысленно поставив в точку северный полюс стрелки.
Другое затруднение — смешать направление тока, поля и силы. Их нельзя выбирать произвольно: сначала задают ток и поле, затем применяют правило левой руки и смотрят на большой палец.
Неверно считать, что любой магнит возле катушки вызывает ток. Нужное условие — изменение магнитного потока через замкнутый контур, поэтому неподвижный магнит тока не создаёт.
Наконец, действие электромагнита усиливают не только током. Нужно учитывать число витков и сердечник; при проверке перечислите все три фактора и не забывайте, что сердечник должен быть ферромагнитным.
Для понимания главы нужны знания об электрическом токе, силе тока, замкнутой цепи и направлении движения зарядов. Описание магнитного поля опирается на понятие силы и векторное задание величин.
Эти знания переходят в изучение электродвигателей и генераторов. Они также помогают понять, как электрическая энергия преобразуется в механическую и обратно.
Как понять, в каком направлении направлены силовые линии магнитного поля?
Направление силовой линии в каждой точке совпадает с направлением вектора магнитной индукции B. Его определяют по тому, куда повернулся бы северный полюс магнитной стрелки. Вокруг прямого проводника с током линии имеют вид окружностей.
Как правильно пользоваться правилом левой руки?
Левую руку располагают так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь, а четыре пальца указывали направление тока. Отогнутый большой палец показывает направление силы, действующей на проводник. Если ток или поле направлены иначе, руку нужно повернуть, сохраняя это соответствие.
Почему железный сердечник усиливает электромагнит?
Железо легко намагничивается и концентрирует магнитное поле внутри катушки и около её концов. Поэтому при том же токе поле катушки с сердечником становится намного сильнее.
Почему неподвижный магнит рядом с катушкой не вызывает индукционный ток?
При неподвижном магните магнитный поток через катушку не изменяется. Поэтому в ней не возникает индукционная ЭДС и ток. Ток появится, если магнит приблизить, удалить или изменить положение катушки.
Как генератор получает электрический ток?
В генераторе катушка или магнит вращается, поэтому магнитный поток через замкнутый контур меняется. Возникает индукционный ток. Источником энергии служит механическая работа турбины, двигателя или другого привода.
Проверим свои знания по теме главы II
