"Физика", Изергин Э.Т.
Магнитные явления помогают понять, как ток создаёт поле, почему поле действует на проводник и как движение магнита может породить ток. Эти знания нужны для объяснения работы электродвигателей, генераторов и трансформаторов. Главное — различать магнитное поле и его индукцию, верно определять направления по правилам правой и левой руки и помнить: индукционный ток появляется, когда меняется магнитный поток через контур.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Магнитное поле — особая форма материи, которая создаётся движущимися электрическими зарядами и токами и действует на движущиеся заряды и проводники с током. Обнаружить поле можно по его действию, например по отклонению магнитной стрелки или проводника с током. Это помогает установить, где есть поле и как оно влияет на тела.
Магнитная индукция — векторная физическая величина B, характеризующая магнитное поле. Чем больше модуль B, тем сильнее поле действует на проводник с током при прочих равных условиях. Единица измерения индукции — тесла (Тл).
Сила Ампера — сила FA, с которой магнитное поле действует на проводник с током. Её величина зависит от силы тока I, длины участка проводника l, магнитной индукции B и угла между током и полем. Сила Ампера объясняет, почему проводник может начать двигаться в магнитном поле.
Электромагнитная индукция — возникновение индукционного тока в замкнутом контуре, когда изменяется магнитный поток через него. Изменение может быть вызвано движением магнита или контура либо изменением самого поля. Это явление позволяет превращать механическую энергию в электрическую.
В проводнике с током движутся заряды, а движущиеся заряды создают магнитное поле. Поэтому вокруг проводника появляются замкнутые магнитные линии, форма которых зависит от формы проводника. Чтобы установить их направление, обхвати проводник правой рукой: большой палец направь по току, а согнутые пальцы покажут направление линий поля. Так правило связывает направление движения зарядов с направлением созданного ими поля.
Магнитное поле действует на движущиеся заряды, поэтому внутри проводника с током возникает воздействие на носители заряда. Это воздействие передаётся проводнику целиком, и он может прийти в движение. Направление силы Ампера определяют правилом левой руки: линии поля входят в ладонь, четыре пальца направляют по току, а отставленный большой палец показывает силу. Если изменить направление тока или поля, направление силы также изменится.
Сила Ампера становится больше, если увеличить ток, длину проводника в поле или магнитную индукцию. Однако важна и ориентация проводника: действует только составляющая, перпендикулярная линиям поля. Поэтому формула имеет вид FA = BIl sin α, где α — угол между током и полем. При α = 90° сила наибольшая, а при α = 0° она равна нулю.
Магнитный поток через контур зависит от магнитной индукции, площади контура и его ориентации относительно поля. Когда поток меняется, возникает электрическое поле, которое приводит заряды в движение и создаёт индукционный ток в замкнутом контуре. Чем быстрее меняется поток, тем заметнее обычно проявляется индукция. Если поток не меняется, одного присутствия магнитного поля для возникновения тока недостаточно.
Закон электромагнитной индукции связывает появление индукционного тока с изменением магнитного потока, а правило Ленца задаёт его направление. Ток создаёт собственное магнитное поле, противодействующее изменению, которое его вызвало. В генераторе вращение катушки или магнита меняет поток и создаёт ток; в трансформаторе меняющееся поле одной катушки вызывает ток в другой. В двигателях и других устройствах магнитные силы помогают преобразовывать электрическую энергию в механическую.
| Явление или величина | Причина возникновения | Направление | Основная формула или правило | Единица измерения |
|---|---|---|---|---|
| Магнитное поле проводника с током | Движение зарядов в проводнике | Правило правой руки | Большой палец по току, пальцы по полю | Отдельной единицы нет |
| Сила Ампера | Действие поля на ток | Правило левой руки | FA = BIl sin α | Н |
| Магнитная индукция | Характеристика магнитного поля | По касательной к линии поля | B | Тл |
| Магнитный поток | Поле через поверхность контура | Зависит от ориентации поверхности | Φ = BS cos β | Вб |
| Электромагнитная индукция | Изменение магнитного потока | Направление задаёт правило Ленца | Изменяется Φ — возникает ЭДС | ЭДС — В |
| Индукционный ток | ЭДС в замкнутом контуре | Правило Ленца | Направлен против изменения потока | А |
Сначала найди причину явления и определи, меняется ли магнитный поток, а затем выбери нужное правило для направления. Для расчётов проверь единицы измерения и угол: в формуле силы Ампера α отсчитывают между током и полем, а для потока β — между полем и перпендикуляром к поверхности.
Условие. Нужно определить направление магнитных линий вокруг прямого проводника, если известен ток. Пусть ток направлен вверх по вертикальному проводнику. Требуется найти направление поля у точки, расположенной справа от него.
Ответ: у точки справа от проводника магнитное поле направлено вглубь листа. Проверка: если поменять направление тока на противоположное, направление линий поля тоже сменится на противоположное.
Условие. Проводник длиной 20 см несёт ток 3 А и находится в поле с индукцией 0,4 Тл. Угол между проводником и линиями поля равен 30°. Найдём силу, действующую на проводник.
Ответ: 0,12 Н. Угол учтён множителем sin α: при тех же остальных данных перпендикулярное расположение дало бы большую силу.
Условие. Магнит приближают к катушке, соединённой с гальванометром, и стрелка прибора отклоняется. Нужно объяснить появление тока и определить его направление относительно движения магнита. Считай, что к катушке приближают северный полюс магнита.
Ответ: ток появляется из-за изменения магнитного потока; его направление таково, что ближний к северному полюсу магнита торец катушки тоже становится северным. Если магнит отдалять, направление тока изменится, чтобы препятствовать уменьшению потока.
Путают направление магнитного поля с направлением тока, потому что представляют поле как продолжение движения зарядов. Но вокруг прямого проводника линии поля идут по окружностям, а не вдоль провода. Применяй правило правой руки: большой палец — по току, согнутые пальцы — по полю. Проверь себя, проследив линию вокруг проводника, а не вдоль него.
При использовании правила левой руки иногда забывают, что пальцы направляют по току, а линии поля должны входить в ладонь. Тогда большой палец покажет неверную силу. Перед ответом отдельно укажи обе исходные стрелки: ток и магнитное поле. Самопроверка — поменяй одно направление и убедись, что сила тоже должна смениться.
Если в формуле FA = BIl sin α забыть множитель sin α, получится неверный результат при наклонном проводнике. Ошибка возникает, когда угол считают несущественным или смешивают его с углом к перпендикуляру. При α = 90° синус равен единице, а при α = 0° — нулю. Проверь предельные случаи: вдоль поля сила должна исчезать.
Наличие постоянного магнитного поля само по себе не означает, что в контуре течёт индукционный ток. Часто это путают, потому что связывают ток с близостью магнита, а не с изменением потока. Сравни условия в разные моменты: если магнит и контур неподвижны и поле не меняется, поток постоянен. Значит, индукционный ток не возникает.
Для изучения магнитных явлений нужны знания об электрическом токе, силе тока, напряжении, работе и мощности, а также умение читать векторные направления. Эти понятия помогают описывать движение зарядов и действие поля. Позже те же знания объясняют устройство электродвигателей, генераторов и трансформаторов, а также способы получения электроэнергии. В следующих темах изменение электрических и магнитных полей связывают с электромагнитными колебаниями, переменным током и электромагнитными волнами.
Чем магнитное поле отличается от электрического?
Электрическое поле создаётся электрическими зарядами и действует на заряды, в том числе неподвижные. Магнитное поле создают движущиеся заряды и токи; оно действует на движущиеся заряды и проводники с током.
Как определить направление силы Ампера?
Расположи левую руку так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь, а четыре пальца были направлены по току. Отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы Ампера.
Почему на проводник не действует сила Ампера, если ток направлен вдоль магнитного поля?
Сила зависит от угла между направлением тока и магнитным полем: F_A = BIl sin α. При параллельных направлениях α = 0°, поэтому sin α = 0 и сила равна нулю.
Почему при неподвижном магните в катушке ток не возникает?
Если магнит и катушка неподвижны друг относительно друга, магнитный поток через катушку обычно не меняется. Для появления индукционного тока нужно изменение потока, а не просто наличие магнитного поля.
Как правило Ленца связано с законом сохранения энергии?
По правилу Ленца индукционный ток направлен так, что создаваемое им поле препятствует изменению магнитного потока. Поэтому для движения магнита или проводника приходится совершать работу: энергия не возникает сама собой, а преобразуется в электрическую.
Проверим свои знания по теме главы III
