"Физика", Пурышева Н.С., Важеевская Н.Е.
Электрический ток и магниты связаны магнитным полем: ток создаёт поле, а поле действует на проводник с током. Если магнитное поле около катушки меняется, в ней может возникнуть электрический ток — это электромагнитная индукция. Эти явления лежат в основе электродвигателей и многих способов получения электрической энергии. Чтобы разобраться в них, нужно научиться определять направления поля и силы.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Электромагнитное взаимодействие — связь электрических токов и магнитных полей: ток создаёт магнитное поле, а это поле может действовать на токи и магниты. Поэтому электрические и магнитные явления нельзя считать полностью независимыми. Эта связь помогает объяснить работу электродвигателя и возникновение тока при изменении поля.
Магнитное поле — особая форма материи, которая создаётся постоянными магнитами и электрическими токами и действует на магниты и проводники с током. Само поле увидеть нельзя, но его обнаруживают по действию на магнитную стрелку или проводник. Так можно исследовать поле даже там, где нет видимого магнита.
Электромагнитная индукция — возникновение электрического тока в замкнутой цепи при изменении магнитного поля около неё. Такой ток называют индукционным. Явление показывает, как изменение магнитного воздействия может вызвать электрический ток, и используется при получении электрической энергии.
Электродвигатель — устройство, которое преобразует электрическую энергию в механическую. В нём силы магнитного поля заставляют рамку с током вращаться. Благодаря этому принципу электрическая энергия приводит в движение механизмы и приборы.
Связь тока с магнитным полем можно обнаружить с помощью магнитной стрелки. Если рядом с ней поместить прямой проводник и пропустить по нему ток, стрелка отклонится, потому что поле тока действует на её магнитные полюса. При выключении тока отклонение исчезает: источник поля убран. Так опыт показывает, что магнитное поле создаёт не только постоянный магнит, но и электрический ток.
У прямого проводника линии магнитного поля располагаются вокруг него. Их направление связано с направлением тока: если изменить ток на противоположный, изменится и направление поля. Чтобы определить его, применяют правило правой руки: большой палец направляют по току, а согнутые пальцы показывают, куда направлены линии поля. Правило нужно именно для поля, а не для силы, действующей на проводник.
Если проводник с током поместить в магнитное поле, он сам окажется под действием поля. Ток создаёт собственное магнитное поле, и оно взаимодействует с внешним полем; результатом становится сила, действующая на проводник. Её направление зависит и от направления тока, и от направления внешнего поля. Его находят правилом левой руки: линии поля должны входить в ладонь, четыре пальца направляют по току, а отставленный большой палец указывает силу.
В рамке с током противоположные стороны расположены так, что силы на них направлены в разные стороны. Эти силы поворачивают рамку, потому что приложены к разным её сторонам и создают вращающее действие. Чтобы рамка продолжала вращаться в одном направлении, ток в ней периодически меняют на противоположный. В электродвигателе это действие магнитного поля превращает электрическую энергию в механическое движение.
Индукционный ток возникает, когда меняется магнитное поле, проходящее через область катушки. Например, при движении магнита относительно катушки поле в ней меняется, и в замкнутой цепи появляется ток. Если магнит и катушка неподвижны друг относительно друга, поле остаётся постоянным, поэтому индукционный ток не возникает. При изменении направления движения магнита направление индукционного тока также меняется.
В таблице сопоставлены причина явления, то, что можно наблюдать, и его практическое значение. При повторении сначала найди условие возникновения, а затем проверь, какое действие или устройство с ним связано. Это помогает отличать поле тока от действия поля и от индукции.
| Явление или устройство | Что происходит | Условие возникновения | Практическое применение |
|---|---|---|---|
| Магнитное поле тока | Ток создаёт поле вокруг проводника | По проводнику идёт электрический ток | Создание электромагнитов и работа электроприборов |
| Действие магнитного поля на проводник с током | На проводник действует сила | Проводник с током помещён во внешнее магнитное поле | Получение движения в электрических устройствах |
| Вращение рамки с током | Силы на сторонах рамки поворачивают её | Рамка с током находится в магнитном поле | Работа электродвигателя |
| Электромагнитная индукция | В цепи возникает индукционный ток | Магнитное поле около цепи изменяется | Получение электрического тока |
| Электродвигатель | Электрическая энергия превращается в механическую | Ток в обмотке взаимодействует с магнитным полем | Приведение в движение машин и приборов |
Условие. Прямой проводник расположен вертикально, ток направлен вверх. Нужно определить направление магнитного поля в точке, находящейся справа от проводника. Направление рассматриваем со стороны наблюдателя, который смотрит на схему.
Ответ. В указанной точке магнитное поле направлено от наблюдателя. При изменении направления тока на противоположное изменилось бы и направление поля.
Условие. Горизонтальный проводник с током направлен вправо, а магнитное поле направлено от наблюдателя вглубь страницы. Нужно найти направление силы, действующей на проводник. Считаем, что ток и поле взаимно перпендикулярны.
Ответ. Сила действует вниз. Если развернуть ток или магнитное поле, направление силы изменится; если развернуть и ток, и поле, сила сохранит прежнее направление.
Условие. В первом опыте магнит приближают к катушке, во втором тот же магнит держат неподвижно рядом с ней. Определи, где появится индукционный ток и как изменить его направление. Катушка в обоих опытах замкнута на измерительный прибор.
Ответ. Индукционный ток возникает, когда магнит движется относительно катушки, но не возникает при их неподвижном соседстве. При смене направления движения магнита меняется и направление тока.
Первая ошибка — считать, что магнитное поле создают только постоянные магниты. Так думают, потому что магнитное действие проще заметить у знакомого магнита, но поле возникает и вокруг проводника с током. Проверь себя: если ток отклоняет магнитную стрелку, значит, вокруг проводника есть поле.
Вторая ошибка — путать направления поля, тока и силы. Причина обычно в том, что правило выбирают по слову «магнитное», не уточняя, что именно требуется найти. Сначала назови искомую величину: поле определяют правилом правой руки, силу — правилом левой руки.
Третья ошибка — ожидать индукционный ток просто от присутствия катушки в магнитном поле. Важно не наличие поля само по себе, а его изменение; это можно проверить, двигая магнит относительно катушки или оставляя его неподвижным. Четвёртая ошибка — называть электродвигатель источником тока: он не производит ток, а использует его для создания движения. Проверка проста: проследи, какая энергия поступает в двигатель и какую работу он выполняет.
Для изучения электромагнитных явлений нужно знать, что такое электрический ток, каково его условное направление и какие условия необходимы для существования тока в цепи. Пригодятся и представления о магнитах и их полюсах: они помогают понять действие магнитного поля. Дальше эти знания используют при изучении генераторов, электродвигателей и способов получения электрической энергии. В генераторах изменение магнитного поля помогает получать ток, а в двигателях ток создаёт движение.
Почему магнитная стрелка отклоняется рядом с проводником, по которому идёт ток?
Ток создаёт вокруг проводника магнитное поле. Оно действует на магнитную стрелку и поворачивает её. Если выключить ток, поле исчезнет, и стрелка перестанет испытывать это действие.
Как определить направление магнитного поля вокруг проводника?
Используй правило правой руки: направь большой палец по направлению тока, а согнутые пальцы покажут направление линий магнитного поля. Сначала обязательно установи направление условного тока.
Чем отличается правило правой руки от правила левой руки?
Правило правой руки применяют, чтобы определить направление магнитного поля, созданного током. Правило левой руки помогает найти направление силы, действующей на проводник с током в магнитном поле. Это разные величины, поэтому правила нельзя подменять друг другом.
Почему неподвижный магнит рядом с катушкой не вызывает индукционный ток?
В таком случае магнитное поле в катушке не меняется, поэтому не возникает индукционного тока. Ток появляется, когда магнит движется относительно катушки или иным способом изменяется магнитное поле через неё.
Как электродвигатель заставляет рамку вращаться?
На стороны рамки с током в магнитном поле действуют силы, направленные противоположно. Они создают вращающее действие и поворачивают рамку. В двигателе направление тока в рамке меняется так, чтобы вращение продолжалось.
Основное в главе 7
