От чего зависит сила индукционного тока в катушке от скорости движения магнита

Отталкивание магнита и катушки с переменным током

Оригинальное название:
«Эксперимент 2020-04-04» Демонстрация отталкивания магнита и катушки с переменным током

Код УДК: 537.6/.8
Код ББК: 22.33

Объектом исследования является сила магнитного взаимодействия катушки с переменным током и постоянного магнита. Вызывает сомнение равенство модуля силы магнитного притяжения и магнитного отталкивания при прочих равных условиях. Высказывается гипотеза, что модуль силы магнитного отталкивания может превышать модуль силы магнитного притяжения. Ставятся цели: 1)обнаружение выраженного отталкивания постоянного магнита на свободном подвесе и катушки БЕЗ сердечника с переменным током; 2)сравнение силы отталкивания магнита от катушки переменного тока с силой отталкивания магнита от катушки постоянного тока. Приводятся измеренные экспериментальные данные в таблицах и графиках, производится оценка эффекта.

Как известно [1, 164], [2, 12] при изучении электромагнетизма и в проектировании электрооборудования расчет силы (электро)магнитного взаимодействия производится по формуле силы Ампера (или по закону Био-Савара). Величина силы пропорциональна силе тока I, что означает смену знака силы при смене направления тока, при этом модуль силы Ампера считается сохраняющимся. Аналогичные рассуждения делаются и по индукции В магнитного поля — изменение направления индукции магнитного поля В изменяет направление силы Ампера, при этом сама величина (модуль) силы Ампера также считается неизменной.

В электродвигателях и электромагнитах этот факт одинаковости сил магнитного притяжения и отталкивания считается очевидным. В электроустановках эти силы, как правило, работают совместно, создавая суммарный эффект.

Однако со строго научной, фундаментальной точки зрения нуждается в экспериментальной (да и теоретической тоже) проверке сама одинаковость сил магнитного притяжения и отталкивания, которая и производится в данной работе.

На основании экспериментальных данных научно обосновано предположение о возможном превышении модуля силы магнитного (электромагнитного) отталкивания над модулем силы магнитного (электромагнитного) притяжения при прочих равных условиях: одинаковых величинах силы тока и одинаковом модуле индукции магнитного поля и одинаковых расстояниях.

Установка в таком виде очень проста и может быть легко воспроизведена на любом подходящем оборудовании любой лаборатории или в домашних условиях. Она прежде всего имеет наглядную цель и лишь впоследствии — научно-исследовательскую. Она состоит из магнита, подвешенного на нити напротив катушки БЕЗ сердечника, линейки для измерения отклонения d магнита и системы питания катушки. Высота подвеса 1 м (погрешность +-0,02 м) используется для расчета силы, отклоняющей магнит. Расстояние от магнита до витков катушки приводится для справки, так как на основе данных работы не предполагается построение физических и математических моделей. Для этой цели необходимо проведение более точных измерений.

Система питания состоит из автотрансформатора (ЛАТРа), понижающего трансформатора (220/24), контрольного амперметра переменного тока (использовался мультиметр), клемм и соединительных проводников.

ЛАТР желателен для плавной регулировки и минимизации переходных процессов включения-выключения тока. Катушка на нити долго колеблется — мягкое добавление тока позволяет уменьшить колебания. Однако эксперимент может быть проведен БЕЗ применения ЛАТРа — отметьте начальное равновесное положение магнита, включите ток и дождитесь успокоения колебаний.

Понижающий трансформатор 220/24 обеспечивает безопасную величину токов и напряжений как для человека, так и для исследуемой катушки. Сопротивление катушки постоянному току получилось примерно 5 Ом и при типичной силе тока 2. 4 ампера требуется напряжение порядка 10. 20 В, поэтому трансформатор нужен на напряжение 24 В. Для желающих повторить эксперимент замечание такое — зажимные-нажимные клеммы начинают «подгорать» при токах около 4 А (это как раз имело место).

Контрольный амперметр желателен, но также вторичен — эксперимент может быть проведен БЕЗ него.

Конечно было интересно пронаблюдать обычное отталкивание магнита в поле катушки постоянного тока, для чего была применена схема питания постоянным током. Поскольку сила взаимодействия оказалась достаточно большой, то был применен балласт (5-10 Ом, имеющиеся под руками другие такие же катушки) для уменьшения силы тока.

Используемый повсеместно переменный ток обладает ценным свойством — его положительная и отрицательная полярности имеют абсолютно совпадающую по модулю величину — и по амплитуде и по протекающему за пол-периода заряду (могут быть лишь случайные, относительно редкие отклонения), что объясняется принципом его трансформации. Именно это важно в данной работе для сравнения сил магнитного притяжения и отталкивания.

При питании электромагнита переменным током постоянный магнит в поле его должен испытывать лишь периодические толчки чередующегося направления с частотой питания сети — 50 Гц. Именно этот принцип и применяется в основе разнообразных электродинамических звуковоспроизводящих устройств (в них как раз магнит неподвижен, а катушка — она обычно намного легче — испытывает колебания под влиянием переменного тока.) При этом согласно действующей общепринятой теории [1, 164], [2, 12] средняя равновесная точка вибрирующего сердечника (если он имеет постоянный магнит) смещаться НЕ должна при включении тока (при условии механической линейности подвеса).

В настоящей установке как раз и используется аналогичная электромеханическая схема. В поле электромагнита переменного тока размещен свободно подвешенный постоянный магнит, который и взаимодействует с равновеликими по модулю чередующимися по направлению силами.

Поскольку магнит взаимодействует с чередующимися силами противоположного направления с катушкой электромагнита, то заметное отклонение магнита в какую-либо сторону от катушки говорит об отличии силы отталкивания от силы притяжения.

Используемые магниты и катушка

Была применена катушка БЕЗ сердечника с числом витков 550, толщиной провода 0,56 мм, внутренним диаметром обмотки 24 мм, наружным — 55 мм, осевой толщиной 14 мм, длина провода оказалась около 68 метров и ее сопротивление постоянному току получилось примерно 5 Ом. Для ее изготовления на 3d-принтере были распечатаны детали каркаса, хотя пробный эксперимент предполагает использование ЛЮБОЙ подходящей катушки (даже бескаркасной). Для крепления использован латунный крепеж, пластиковый кронштейн и планка из дсп — все немагнитное.

Теперь об использованных магнитах и их обозначениях в результатах ниже. Всего было три типоразмера магнитов: один типоразмер — ферритовые от бензонасоса (форма — сегмент цилиндрического слоя); и два — неодимовые с никелевым покрытием (дисковый и цилиндрический).
«1фвыпN» — ферритовый магнит выпуклым «севером» N к катушке;
«2фвыпS» — ферритовый магнит выпуклым «югом» S к катушке;
«3фвогN» — ферритовый магнит вогнутым «севером» N к катушке;
«4фвогS» — ферритовый магнит вогнутым «югом» N к катушке;
«5Днслаб» — неодимовый «слабый» дисковый магнит диаметром 38 мм и толщиной 2х1.5 мм;
«6Днсиль» — неодимовый «сильный» дисковый магнит диаметром 38 мм и толщиной 2х1.5 мм;
«7Цн» — неодимовый цилиндрический магнит диаметром 30 мм и толщиной 2х10 мм.
Для упрощения конструкции ВСЕ магниты использованы по 2 штуки — примагничены два одинаковых сквозь тонкую пластиковую пленку от упаковки, для тонкой регулировки положения пленка к подвеске крепилась медной проволокой, позволяющей ее согнуть и выровнять плоскости, углы, положения и проч.

Видео на ЮТубе
https://youtu.be/06Hq5AeF2sw
Эксперименты со всеми тремя магнитами проводились по одинаковой методике и преследовали простую демонстрационную цель. Для удобства применялись две линейки: одна — для измерения отклонения от положения равновесия, другая — для измерения расстояния от плоскости витков катушки до характерной точки подвески магнита. Сначала линейки устанавливались в удобное положение и осторожно прибавлялось напряжение ЛАТРа, увеличивалась сила тока. Измерялось отклонение магнита от положения равновесия.

В качестве базового при первом измерении был применён именно ферритовый магнит с большим удельным сопротивлением. Это гарантировало отсутствие токов Фуко и отсутствие Ленцевского отталкивания. На неодимовых магнитах величина отклонения по порядку величины соответствовала отклонению ферритовых магнитов, что говорит о слабом влияние токов Фуко в неодимовых магнитах. В последствие предполагается провести специальное измерение Ленцевского эффекта на дисках из алюминия/дюраля.

Для сравнения проводилось измерение отталкивания магнитов постоянным током. Поскольку возникает вопрос о средневыпрямленном и среднеквадратическом значении силы тока, то для измерения использовался амперметр только переменного тока, а в эксперименте с постоянным током использовался выпрямительный мост. Таким образом влияние коэффициента формы (k=1.11) переменного тока оказывалось одинаковым и в измерениях на переменном токе, и в измерениях на постоянном токе. Это позволило вообще не обращать внимание на коэффициент формы при обработке результатов. К этому вопросу мы еще вернемся в будущих статьях.

Поскольку подвешенный магнит вибрировал в поле переменного тока, то для исключения аэродинамического влияния эксперимент был повторен четырежды на ферритовых магнитах — как выпуклой стороной, так и вогнутой стороной к катушке. Во всех случаях наблюдалось устойчивое отклонение магнита от катушки, по порядку величины соответствующее отклонению плоских неодимовых магнитов.

Яндекс-документ (таблица)
https://yadi.sk/i/BaYuvbNXWIvXvQ

Прямая ссылка на HTML-страничку
http://easy-physics.club/sci/2020-04-04-ex1-rezult.html
или в оригинале статьи
http://easy-physics.club/sci/2020-04-04-ex1.html

Во всех форматах имеется 8 страниц, содержащих следующее:
0-ая «0кат» — упрощенный расчет использованной катушки
1-ая «1фвыпN» — результаты измерений и расчетов по ферритовому магниту 1фвыпN;
2-ая «2фвыпS» — —//— по ферритовому магниту 2фвыпS;
3-ая «3фвогN» — —//— по ферритовому магниту 3фвогN;
4-ая «4фвогS» — —//— по ферритовому магниту 4фвогS;
5-ая «5Днслаб» — —//— по неодимовому диску 2х 38х1.5мм;
6-ая «6Днсиль» — —//— по неодимовому диску 2х 38х1.5мм;
7-ая «7Цн» — —//— по неодимовому цилиндру 2х 30х10 мм.

В таблицах результатов (листы 1. 7) перечислим и прокомментируем все колонки по порядку:

A — Контрольное число, см — отсчеты по линейке, закрепленной на катушке. По ней можно определить расстояние от катушки до характерной точки магнита.
B — Отклонение от равновесия, d, мм — отсчеты по линейке, расположенной на полу и на которой «ноль» выставлен на положение равновесия магнита.
C — Расстояние от витков до магнита, мм — разность, вычисленная по колонке A.
D — Сила переменного тока I1, А — измеренная сила переменного тока при данном (колонка B) отклонении от равновесия
E — Сила постоянного тока I0, А — измеренная сила постоянного тока, вызывающая такое же (колонка B) отклонение от равновесия (такую же силу отталкивания).
F — Сила отталкивания Fотт, Н — вычислялась по массе магнита и по отклонению от положения равновесия ( d*m*g/(длину подвеса) ).
G — Относит. величина эффекта I0 / I1 — отношение постоянного тока к переменному току, показывает насколько постоянный ток вызывает большее отталкивание, чем переменный
Остальные колонки оставим пока без комментариев.
Непосредственная оценка силы отталкивания оказалась недостаточно информативна с позиции общности, она зависит от объемных характеристик магнита, его формы, силы намагниченности (Энергии магнитного поля и остаточной индукции магнитного поля, которая сама по себе еще и неоднородна). Оказалось, что простое отклонение от равновесия d и легче воспринимается, и более информативно. Оно автоматически учитывает, что у более тяжелого магнита и энергия магнитного поля больше — отклонение окажется близким у магнитов разного размера-массы и пропорциональным остаточной индукции. Этот вопрос нуждается в более глубокой теоретической проработке, оставим его для будущих статей. В данной статье как основной результат использовано именно отклонение d магнита от положения равновесия.

По измеренным данным построены некоторые зависимости.

Зависимость отклонения магнитов от силы переменного тока d=d(I1)
Рисунок в заголовке статьи, оригинал тут
http://easy-physics.club/sci/2020-04-04-ex1.html
По представленным графикам видно, что ВСЕ магниты показывают уверенное отклонение от катушки. Т.е. можно сделать вывод — постоянные магниты действительно отталкиваются от катушки с переменным током , и, следовательно, сила магнитного отталкивания превышает силу магнитного притяжения в описываемых условиях.
Неодимовые магниты показывают бОльший эффект (линии 5,6,7 идут выше линий 1,2,3,4), что, на первый взгляд, объясняется просто их бОльшей силой намагничивания (бОльшим модулем магнитной индукции), но конечно, нужно в будущем исключить возможное влияние проводимости магнитов (влияние Ленцевского отталкивания).
По ферритовым магнитам вывод пока можно сделать следующий — вогнутая сторона магнита дает немного сильнее эффект (линии 3,4 идут выше линий 1,2), что может объясняться как аэродинамикой, как большей кривизной силовых линий, так и просто разбросом величины их намагниченности — нужны более корректные эксперименты, исключающие аэродинамические эффекты и в которых будет возможность измерить модуль индукции магнитного поля магнита.

Зависимость относительной величины эффекта от отклонения I0 / I1 = f(d)
Оригинал тут
http://easy-physics.club/sci/2020-04-04-ex1.html
Хотелось бы количественно оценить обнаруженный эффект и в качестве меры, некоторой условной единицы, логично использовать стандартную силу электромагнитного взаимодействия. Для этого были проведены вспомогательные калибровочные измерения силы отталкивания магнита и катушки с постоянным током I0 в максимально совпадающих условиях. Далее вычислялась вспомогательная величина I0 / I1 «Относительная величина эффекта», показывающая, насколько постоянный ток I0 влияет сильнее переменного I1 (впоследствии из этой величины можно получить феноменологические коэффициенты «четности»), или «на сколько процентов отталкивание сильнее притяжения».
Здесь представлены зависимости этой величины от отклонения магнита от равновесия — т.е. пространственная относительная оценка эффекта. По зависимостям видно, что с удалением магнита и катушки эффект УВЕЛИЧИВАЕТСЯ! Вывод пока предварительный, но ощущается его важность для построения теории в будущем.
Также можно сделать еще один вывод, что сама разница сил притяжения и отталкивания относительно невелика и составляет 0.6. 1.3%, т.е. вероятность заметить столь малую разницу сил была крайне мала, особенно при использовании приборов с погрешностью 1. 3%! Тем не менее эта разница (и воспроизводимые зависимости ее) имеет фундаментальное значение — из неё следует чётность электромагнитных эффектов.
Впоследствии предполагается это исследование сделать существенно глубже, обширнее, точнее и из него получить данные для математических и физических моделей.

1.Показано отталкивание всех магнитов от катушки с переменным током, что свидетельствует о превышении силы магнитного отталкивания над силой магнитного притяжения для всех видов использованных магнитов и для катушки представленной геометрии. Это подтверждает высказанную в начале статьи гипотезу.

2.Показана пропорциональность отталкивания магнита силе переменного тока в катушке.

3.Относительная величина разности сил отталкивания и притяжения составила 0.6. 1.3% по сравнению со стандартным отталкиванием на постоянном токе (исследованный диапазон расстояний от магнита до плоскости витков составил от 10 до 30 мм, разный для разных магнитов, исследованный диапазон переменных токов составил до 1.6 А).

4.Обнаружено, что относительная величина эффекта возрастает с увеличением расстояния между магнитом и катушкой.

1.Будьте осторожны с силами токов более 3А — многие клеммы очень быстро выходят из строя. Будьте осторожны с ЛАТРами и трансформаторами — напряжение сети 220 В (и даже «низкое» напряжение) опасно!

2.Стальные магниты с «мягкой» петлей намагничивания непригодны, эффект проявляется на ферритовых и неодимовых магнитах с «жесткой», «прямоугольной» петлей.

1.Савельев И.В. Курс общей физики. Том 2. Электричество. Издание 4-е, переработанное. М.: Издательство «Наука». Главная редакция физико-математической литературы, 1970

2.Тихомирова С.А. Физика. 11 класс : учеб. для общеобразоват. учреждений (базовый и профильный уровни) / С. А. Тихомирова, Б. М. Яворский. — 3-е изд., стер. — М. : Мнемозина, 2012. — 303с. : ил.

Оригинал этой статьи был размещен тут
http://easy-physics.club/sci/2020-04-04-ex1.html

Здравствуйте!
Даже в неодимовым магните, помещенном в переменное поле, которое
направлено под углом к оси его намагниченности, возникнут качания
магнитных моментов атомов с частотой внешнего поля. При этом
размагничивания магнита не произойдёт! Эти качания вызовут изменение
со временем магнитного потока через катушку и, как следствие,
наведение в ней дополнительного индукционного тока. Возможно, с полем
этого дополнительного тока магнит так и взаимодействует, хотя, конечно,
нужна подробная модель, а не такие, как у меня сейчас, досужие
рассуждения стоя с планшетом в руке. С уважением —

Однако — можно сделать отдельный эксперимент, где катушка запитана «генератором тока» — от усилителя с большим выходным сопротивлением — типа «два коллектора npn|pnp. Вот вам и простейший набор оборудования для частотного анализа — поверьте, он ПЛАНИРУЕТСЯ! Частота 50 Гц — не останется единственной!

Доброго времени суток! Благодарю! Учтем, в математических моделях ВСЁ значимое будет учитываться. С Уважением.

Портал Проза.ру предоставляет авторам возможность свободной публикации своих литературных произведений в сети Интернет на основании пользовательского договора. Все авторские права на произведения принадлежат авторам и охраняются законом. Перепечатка произведений возможна только с согласия его автора, к которому вы можете обратиться на его авторской странице. Ответственность за тексты произведений авторы несут самостоятельно на основании правил публикации и законодательства Российской Федерации. Данные пользователей обрабатываются на основании Политики обработки персональных данных. Вы также можете посмотреть более подробную информацию о портале и связаться с администрацией.

Ежедневная аудитория портала Проза.ру – порядка 100 тысяч посетителей, которые в общей сумме просматривают более полумиллиона страниц по данным счетчика посещаемости, который расположен справа от этого текста. В каждой графе указано по две цифры: количество просмотров и количество посетителей.

© Все права принадлежат авторам, 2000-2021. Портал работает под эгидой Российского союза писателей. 18+

Источник



От чего зависит индукционный ток?

Введение

Се­го­дняш­ний урок будет по­свя­щен яв­ле­нию элек­тро­маг­нит­ной ин­дук­ции. Яв­ле­ни­ем элек­тро­маг­нит­ной ин­дук­ции на­зы­ва­ет­ся яв­ле­ние воз­ник­но­ве­ния элек­три­че­ско­го тока в про­вод­ни­ке под дей­стви­ем пе­ре­мен­но­го маг­нит­но­го поля.

Важно, что в дан­ном слу­чае про­вод­ник дол­жен быть за­мкнут. В на­ча­ле XIX в. после опы­тов дат­ско­го уче­но­го Эр­сте­да стало ясно, что элек­три­че­ский ток со­зда­ет во­круг себя маг­нит­ное поле. После встал во­прос о том, нель­зя ли по­лу­чить элек­три­че­ский ток за счет маг­нит­но­го поля, т.е. про­из­ве­сти об­рат­ные дей­ствия. Если элек­три­че­ский ток со­зда­ет маг­нит­ное поле, то, на­вер­ное, и маг­нит­ное поле долж­но со­зда­вать элек­три­че­ский ток. В пер­вой по­ло­вине XIX века уче­ные об­ра­ти­лись имен­но к таким опы­там: стали ис­кать воз­мож­ность со­зда­ния элек­три­че­ско­го тока за счет маг­нит­но­го поля.

Опыты Фарадея

Впер­вые уда­лось до­стичь успех в этом (т.е. по­лу­чить элек­три­че­ский ток за счет маг­нит­но­го поля) ан­глий­ско­му фи­зи­ку Май­к­лу Фа­ра­дею. Итак, об­ра­тим­ся к опы­там Фа­ра­дея.

Рис. 1. Опыт, ана­ло­гич­ный опыту Фа­ра­дея. При дви­же­нии маг­ни­та в ка­туш­ке, в ее цепи ре­ги­стри­ру­ет­ся элек­три­че­ский ток

Пер­вая схема была до­воль­но про­стой. Во-пер­вых, М. Фа­ра­дей ис­поль­зо­вал в своих опы­тах ка­туш­ку с боль­шим чис­лом вит­ков. Ка­туш­ка на­ко­рот­ко была при­со­еди­не­на к из­ме­ри­тель­но­му при­бо­ру, мил­ли­ам­пер­мет­ру (мА). Нужно ска­зать, что в те вре­ме­на не было до­ста­точ­но хо­ро­ших ин­стру­мен­тов для из­ме­ре­ния элек­три­че­ско­го тока, по­это­му поль­зо­ва­лись необыч­ным тех­ни­че­ским ре­ше­ни­ем: брали маг­нит­ную стрел­ку, рас­по­ла­га­ли рядом с ней про­вод­ник, по ко­то­ро­му про­те­кал ток, и по от­кло­не­нию маг­нит­ной стрел­ки су­ди­ли о про­те­ка­ю­щем токе. Так вот в дан­ном слу­чае токи могли быть очень неве­ли­ки, по­это­му ис­поль­зо­вал­ся при­бор мА, т.е. тот, ко­то­рый из­ме­ря­ет ма­лень­кие токи.

Вдоль ка­туш­ки М. Фа­ра­дей пе­ре­ме­щал по­сто­ян­ный маг­нит – от­но­си­тель­но ка­туш­ки маг­нит дви­гал­ся вверх и вниз.

Об­ра­ща­ем ваше вни­ма­ние на то, что в этом экс­пе­ри­мен­те впер­вые было за­фик­си­ро­ва­но на­ли­чие элек­три­че­ско­го тока в цепи в ре­зуль­та­те из­ме­не­ния маг­нит­но­го по­то­ка, ко­то­рый про­хо­дит сквозь ка­туш­ку.

Фа­ра­дей об­ра­тил вни­ма­ние и на тот факт, что стрел­ка мА от­кло­ня­ет­ся от сво­е­го ну­ле­во­го зна­че­ния, т.е. по­ка­зы­ва­ет, что в цепи су­ще­ству­ет элек­три­че­ский ток толь­ко тогда, когда маг­нит дви­жет­ся. Стоит толь­ко маг­ни­ту оста­но­вить­ся, стрел­ка воз­вра­ща­ет­ся в пер­во­на­чаль­ное по­ло­же­ние, в ну­ле­вое по­ло­же­ние, т.е. ни­ка­ко­го элек­три­че­ско­го тока в цепи в этом слу­чае нет.

Вто­рая за­слу­га Фа­ра­дея – уста­нов­ле­ние за­ви­си­мо­сти на­прав­ле­ния ин­дук­ци­он­но­го элек­три­че­ско­го тока от по­ляр­но­сти маг­ни­та и на­прав­ле­ния его дви­же­ния. Сто­и­ло Фа­ра­дею из­ме­нить по­ляр­ность маг­ни­тов и про­пус­кать маг­нит через ка­туш­ку с боль­шим чис­лом вит­ков, как тут же ме­ня­лось на­прав­ле­ние ин­дук­ци­он­но­го тока, того, ко­то­рый воз­ни­ка­ет в за­мкну­той элек­три­че­ской цепи.

Т.о. мы при­шли к тому, с чего на­чи­на­ли урок: под­твер­ди­лась ги­по­те­за, что элек­три­че­ский ток воз­ни­ка­ет, когда из­ме­ня­ет­ся маг­нит­ное поле.

Итак, неко­то­рое за­клю­че­ние. Из­ме­ня­ю­ще­е­ся маг­нит­ное поле со­зда­ет элек­три­че­ский ток. На­прав­ле­ние элек­три­че­ско­го тока за­ви­сит от того, какой полюс маг­ни­та про­хо­дит в дан­ный мо­мент через ка­туш­ку, в каком на­прав­ле­нии дви­жет­ся маг­нит.

И еще: ока­зы­ва­ет­ся, на зна­че­ние элек­три­че­ско­го тока вли­я­ет ко­ли­че­ство вит­ков в ка­туш­ке. Чем боль­ше вит­ков, тем и зна­че­ние тока будет боль­ше.

Об­ра­тим­ся те­перь ко вто­ро­му экс­пе­ри­мен­ту Фа­ра­дея. В чем он за­клю­чал­ся?

Рис. 2. Вто­рой экс­пе­ри­мент по ис­сле­до­ва­нию яв­ле­ния элек­тро­маг­нит­ной ин­дук­ции

Две ка­туш­ки раз­ме­ща­лись близ­ко друг с дру­гом. Одна ка­туш­ка с боль­шим чис­лом вит­ков под­клю­ча­лась к ис­точ­ни­ку тока, в этой цепи был ключ, ко­то­рый за­мы­кал и раз­мы­кал цепь. Вто­рая ка­туш­ка, тоже с боль­шим чис­лом вит­ков, под­клю­чен­ная к мил­ли­ам­пер­мет­ру на­пря­мую, ни­ка­ких ис­точ­ни­ков тока нет. Как толь­ко цепь за­мы­ка­лась, мил­ли­ам­пер­метр по­ка­зы­вал на­ли­чие элек­три­че­ско­го тока в цепи. Как толь­ко цепь раз­мы­ка­лась, мил­ли­ам­пер­метр вновь ре­ги­стри­ро­вал на­ли­чие элек­три­че­ско­го тока, но на­прав­ле­ние элек­три­че­ско­го тока из­ме­ня­лось на про­ти­во­по­лож­ное. Пока цепь была за­мкну­та, т.е. пока в цепи про­те­кал элек­три­че­ский ток, мил­ли­ам­пер­метр ни­ка­ко­го тока в элек­три­че­ской цепи не ре­ги­стри­ро­вал.

Выводы из экспериментов

Какие вы­во­ды были сде­ла­ны М.Фа­ра­де­ем в ре­зуль­та­те этих экс­пе­ри­мен­тов? Ин­дук­ци­он­ный элек­три­че­ский ток по­яв­ля­ет­ся в за­мкну­той цепи толь­ко тогда, когда су­ще­ству­ет пе­ре­мен­ное маг­нит­ное поле. При­чем это маг­нит­ное поле долж­но из­ме­нять­ся.

От чего зависит индукционный ток?

Если из­ме­не­ния маг­нит­но­го поля не про­ис­хо­дит, то не будет ни­ка­ко­го элек­три­че­ско­го тока. Даже если маг­нит­ное поле су­ще­ству­ет. Мы можем ска­зать, что ин­дук­ци­он­ный элек­три­че­ский ток прямо про­пор­ци­о­на­лен, во-пер­вых, числу вит­ков, во-вто­рых, ско­ро­сти маг­нит­но­го поля, с ко­то­рой из­ме­ня­ет­ся это маг­нит­ное поле от­но­си­тель­но вит­ков ка­туш­ки.

Рис. 3. От чего за­ви­сит ве­ли­чи­на ин­дук­ци­он­но­го тока?

Для ха­рак­те­ри­сти­ки маг­нит­но­го поля ис­поль­зу­ет­ся ве­ли­чи­на, ко­то­рая на­зы­ва­ет­ся маг­нит­ный поток. Она ха­рак­те­ри­зу­ет маг­нит­ное поле в целом, мы об этом будем го­во­рить на сле­ду­ю­щем уроке. Сей­час от­ме­тим лишь, что имен­но из­ме­не­ние маг­нит­но­го по­то­ка, т.е. числа линий маг­нит­но­го поля, про­ни­зы­ва­ю­щих кон­тур с током (ка­туш­ку, на­при­мер), при­во­дит к воз­ник­но­ве­нию в этом кон­ту­ре ин­дук­ци­он­но­го тока.

Источник

От чего зависит сила индукционного тока в катушке от скорости движения магнита

«Физика — 11 класс»

Направление индукционного тока

Направление индукционного тока, возникающего в катушке, зависит от того, приближается магнит к катушке или удаляется от нее.

Возникающий индукционный ток может притягивать или отталкивать магнит, т.к. катушка становится подобной магниту с двумя полюсами — северным и южным.
На основе закона сохранения энергии можно предсказать, в каких случаях катушка будет притягивать магнит, а в каких отталкивать его.

Взаимодействие индукционного тока катушки с магнитом.

В чем состоит различие двух опытов: приближение магнита к катушке и его удаление?

Если магнит приближать к катушке

Число линий магнитной индукции, пронизывающих витки катушки, или, что то же самое, магнитный поток, увеличивается.
Катушка становится подобной магниту, обращенному одноименным полюсом к приближающемуся к ней магниту.
Линии индукции ‘ магнитного поля, созданного возникшим в катушке индукционным током, выходят из верхнего конца катушки.
В катушке появляется индукционный ток такого направления, что магнит обязательно отталкивается.
Для сближения магнита и катушки нужно совершить положительную работу.

Если магнит удалять от катушки

Число линий магнитной индукции, пронизывающих витки катушки, или, что то же самое, магнитный поток, уменьшается.
Линии индукции ‘ магнитного поля, созданного возникшим в катушке индукционным током, входят в верхний конец катушки.
Катушка с током становится аналогична магниту, северный полюс которого находится снизу.
В катушке возникает ток такого направления, что проявляется притягивающая магнит сила.

Аналогично можно рассмотреть опыт, когда на концах стержня, который может свободно вращаться вокруг вертикальной оси, закреплены два проводящих алюминиевых кольца (одно из них с разрезом).

С разрезанным кольцом магнит не взаимодействует, так как разрез препятствует возникновению в кольце индукционного тока.
Отталкивает или притягивает другое кольцо магнит, зависит от направления индукционного тока, возникающего в кольце.
Поэтому закон сохранения энергии позволяет сформулировать правило, определяющее направление индукционного тока.

Правило Ленца

Существует правило, позволяющее определить направление индукционного тока, которое было установлено русским физиком Э. X. Ленцем:

Возникающий в замкнутом контуре индукционный ток своим магнитным полем противодействует тому изменению магнитного потока, которым он вызван.

или более кратко:

Индукционный ток направлен так, чтобы препятствовать причине, его вызывающей.

При увеличении магнитного потока через витки катушки индукционный ток имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле препятствует усилению магнитного потока через витки катушки.
Ведь линии индукции ‘ этого поля направлены против линий индукции поля, изменение которого порождает электрический ток.
Если же магнитный поток через катушку ослабевает, то индукционный ток создает магнитное поле с индукцией ‘ увеличивающее магнитный поток через витки катушки.

Применение правила Ленца:

1. Определить направление линий магнитной индукции внешнего магнитного поля.

2. Выяснить, увеличивается ли поток вектора магнитной индукции этого поля через поверхность, ограниченную контуром (ΔФ > 0), или уменьшается (ΔФ 0 и иметь одинаковое с ними направление при ΔФ По следам «английских ученых»

Источник

ИНФОФИЗ — мой мир.

Весь мир в твоих руках — все будет так, как ты захочешь

Весь мир в твоих руках — все будет так, как ты захочешь

• Главная
• Мир физики
  • Физика в формулах
  • Теоретические сведения
  • Физический юмор
  • Физика вокруг нас
  • Физика студентам
    • Для рефератов
    • Экзамены
    • Лекции по физике
    • Естествознание
• Мир астрономии
  • Солнечная система
  • Космонавтика
  • Новости астрономии
  • Лекции по астрономии
  • Законы и формулы — кратко
• Мир психологии
  • Физика и психология
  • Психологическая разгрузка
  • Воспитание и педагогика
  • Новости психологии и педагогики
  • Есть что почитать
• Мир технологий
  • World Wide Web
  • Информатика для студентов
    • 1 курс
    • 2 курс
  • Программное обеспечение компьютерных сетей
    • Мои лекции
    • Для студентов ДО
    • Методические материалы

• Физика школьникам
• Физика студентам
• Астрономия
• Информатика
• ПОКС
• Арх ЭВМ и ВС
• Методические материалы
• Медиа-файлы
• Тестирование

Как сказал.

Если вы студент, значит перед вами стоит тысяча возможностей. Найдите в себе силы, чтобы использовать хотя бы одну из них.

Вопросы к экзамену

Для всех групп технического профиля

Урок 36. Лекция 36. Электромагнитная индукция. Правило Ленца.

Взаимная связь электрических и магнитных полей была установлена выдающимся английским физиком М. Фарадеем в 1831 г. Он открыл явление электромагнитной индукции. Оно заключается в возникновении электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменении во времени магнитного потока, пронизывающего контур.

Явление электромагнитной индукции заключается в возникновении электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего контур.

Магнитным потоком Φ через площадь S контура называют величину Ф = BScosα

где B – модуль вектора магнитной индукции, α – угол между вектором B и нормалью n к плоскости контура.

Явление электромагнитной индукции Фарадей исследовал с помощью двух изолированных друг от друга проволочных спиралей, намотанных на деревянную катушку. Одна спираль была присоединена к гальванической батарее, а другая — к гальванометру, регистрирующему слабые токи. В моменты замыкания и размыкания цепи первой спира­ли стрелка гальванометра в цепи второй спирали отклонялась.

Опыты Фарадея по исследованию ЭМИ можно разделить на две серии:

Объяснение опыта: При внесении магнита в катушку, соединенную с амперметром в цепи возникает индукционный ток. При удалении так же возникает индукционный ток, но другого направления. Видно, что индукционный ток зависит от направления движения магнита, и каким полюсом он вносится. Сила тока зависит от скорости движения магнита.

Объяснение опыта: электрический ток в катушке 2 возникает в моменты замыкания и размыкания ключа в цепи катушки 1. Видно, что направление тока зависит от того, замыкаюи или размыкают цепь катушки 1, т.е. от того, увеличивается (при замыкании цепи) или уменьшаетя (при размыкании цепи) магнитный поток. пронизывающий 1-ю катушку.

Проводя многочисленные опыты Фарадей установил, что в замкнутых проводящих контурах электрический ток возникает лишь в тех случаях, когда они находятся в переменном магнитном поле, независимо от того, каким способом достигается изменение потока индукции магнитного поля во времени.

Ток, возникающий при явлении электромагнитной индукции, называют индукционным.

Строго говоря, при движении контура в магнитном поле генерируется не определенный ток (который зависит от сопротивления), а определенная э. д. с.

Фарадей экспериментально установил, что при изменении магнитного потока в проводящем контуре возникает ЭДС индукции E инд, равная скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, взятой со знаком минус:

Эта формула выражает закон Фарадея: э. д. с. индукции равна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограни­ченную контуром.

Знак минус в формуле отражает правило Ленца.

В 1833 году Ленц опытным путем доказал утверждение, которое называется правилом Ленца: индукционный ток, возбуждаемый в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, всегда направлен так, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызывающего индукционный ток.

При возрастании магнитного потока Ф>0, а ε инд При уменьшении магнитного потока Ф инд > 0, т.е. магнитное поле индукционного тока увеличивает убывающий магнитный поток через контур.

Правило Ленца имеет глубокий физический смысл – оно выражает закон сохранения энергии: если магнитное поле через контур увеличивается, то ток в контуре направлен так, что его магнитное поле направлено против внешнего, а если внешнее магнитное поле через контур уменьшается, то ток направлен так, что его магнитное поле поддерживает это убывающее магнитное поле.

ЭДС индукции зависит от разных причин. Если вдвигать в катушку один раз сильный магнит, а в другой — слабый, то показания прибора в первом случае будут более высокими. Они будут более высокими и в том случае, когда магнит движется быстро. В каждом из проведённых в этой работе опыте направление индукционного тока определяется правилом Ленца. Порядок определения направления индукционного тока показан на рисунке.

На рисунке синим цветом обозначены силовые линии магнитного поля постоянного магнита и линии магнитного поля индукционного тока. Силовые линии магнитного поля всегда направлены от N к S – от северного полюса к южному полюсу магнита.

По правилу Ленца индукционный электрический ток в проводнике, возникающий при изменении магнитного потока, направлен таким образом, что его магнитное поле противодействует изменению магнитного потока. Поэтому в катушке направление силовых линий магнитного поля противоположно силовым линиям постоянного магнита, ведь магнит движется в сторону катушки. Направление тока находим по правилу буравчика: если буравчик (с правой нарезкой) ввинчивать так, чтобы его поступательное движение совпало с направлением линий индукции в катушке, тогда направление вращения рукоятки буравчика совпадает с направлением индукционного тока.

Поэтому ток через миллиамперметр течёт слева направо, как показано на рисунке красной стрелкой. В случае, когда магнит отодвигается от катушки, силовые линии магнитного поля индукционного тока будут совпадать по направлению с силовыми линиями постоянного магнита, и ток будет течь справа налево.

Изменение магнитного потока , пронизывающего замкнутый контур, может происходить по двум причинам.

1. Магнитный поток изменяется вследствие перемещения контура или его частей в постоянном во времени магнитном поле. Это случай, когда проводники, а вместе с ними и свободные носители заряда, движутся в магнитном поле. Возникновение ЭДС индукции объясняется действием силы Лоренца на свободные заряды в движущихся проводниках.. Электродвижущая сила в цепи — это результат действия сторонних сил, т.е. сил неэлектрического происхождения. Сила Лоренца играет в этом случае роль сторонней силы, под действием которой происходит разделение зарядов, в результате чего на концах проводника по­является разность потенциалов.

Рассмотрим в качестве примера возникновение ЭДС индукции в прямоугольном контуре, помещенном в однородное магнитное поле В, перпендикулярное плоскости контура. Пусть одна из сторон контура длиной l скользит со скоростью v по двум другим сторонам.

На свободные заряды на этом участке контура действует сила Лоренца. Составляющая силы Лоренца, действующая на свободный электрон, связанная с переносной скоростью v зарядов, направлена вдоль проводника. Эта составляющая указана на рис. 3. Это она играет роль сторонней силы. Ее модуль равен F_Л = eυB

Э. д. с. индукции в проводнике характеризует работу по перемещению единичного положительного заряда вдоль проводника.

Работа силы F_Л на пути l равна A = F_Л · l = eυBl

По определению ЭДС

В других неподвижных частях контура сторонняя сила равна нулю. Соотношению для _инд можно придать привычный вид. За времы Δt площадь контура изменяется на ΔS = lυΔt. Изменение магнитного потока за это время равно ΔΦ = BlυΔt. Следовательно,

Если сопротивление всей цепи равно R, то по ней будет протекать индукционный ток, равный

I_инд = _инд/R.

За время Δt на сопротивлении R выделится джоулево тепло

Возникает вопрос: откуда берется эта энергия, ведь сила Лоренца работы не совершает! Этот парадокс возник потому, что мы учли работу только одной составляющей силы Лоренца. При протекании индукционного тока по проводнику, находящемуся в магнитном поле, на свободные заряды действует еще одна составляющая силы Лоренца, связанная с относительной скоростью движения зарядов вдоль проводника. Эта составляющая ответственна за появление силы Ампера F_A . Для случая, изображенного на рис. 3, модуль силы Ампера равен F_A = IBl. Сила Ампера направлена навстречу движения проводника; поэтому она совершает отрицательную механическую работу. За время Δt эта работа A_мех равна

Движущийся в магнитном поле проводник, по которому протекает индукционный ток, испытывает магнитное торможение. Полная работа силы Лоренца равна нулю.

Джоулево тепло в контуре выделяется либо за счет работы внешней силы, которая поддерживает скорость проводника неизменной, либо за счет уменьшения кинетической энергии проводника.

При движении провод­ника вправо свободные электроны, содержащиеся в нем, будут двигаться также вправо, т. е. возникает конвекционный ток. Направление этого тока обратно направлению движения электронов.

На каждый движущийся электрон со стороны магнитного поля действует сила Лоренца F_л. Заряд электрона — отрицательный. Поэтому сила Лоренца направлена вниз.

Под действием этой силы электроны будут двигаться вниз, поэтому в нижней части проводника l накапли­ваются отрицательные заряды, а в верхней — положительные. Образуется разность потенциалов φ₁ — φ₂, в проводнике возникает электрическое поле напряженностью Е, которое препятствует дальнейшему перемещению электро­нов.

В момент, когда сила F_эл = еЕ, действующая на заряды со стороны этого электрического поля, станет равной по модулю силе Fл = evBsinα, действую­щей на заряды со стороны магнитного поля, т.е. при еЕ = evBsinα или Е = vBsinα , заряды перестанут перемещаться.

Напряженность электрического поля Е в движущемся проводнике длиной l и разность потенциалов φ₁ — φ₂ связаны между собой соотношением

Если такой проводник замкнуть, то по цепи пойдет ток. Таким образом, на концах проводника индуцируется э.д. с.

2. Вторая причина изменения магнитного потока, пронизывающего контур, – изменение во времени магнитного поля при неподвижном контуре . В этом случае возникновение ЭДС индукции уже нельзя объяснить действием силы Лоренца. Электроны в неподвижном проводнике могут приводиться в движение только электрическим полем. Это электрическое поле порождается изменяющимся во времени магнитным полем. Работа этого поля при перемещении единичного положительного заряда по замкнутому контуру равна ЭДС индукции в неподвижном проводнике. Следовательно, электрическое поле, порожденное изменяющимся магнитным полем, не является потенциальным. Его называют вихревым электрическим полем . Представление о вихревом электрическом поле было введено в физику великим английским физиком Дж. Максвеллом (1861 г.).

Явление электромагнитной индукции в неподвижных 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 неподвижных проводников ЭДС индукции является следствием действия на свободные заряды вихревого электрического поля, возникающего при изменении магнитного поля.

Явление электромагнитной индукции лежит в основе действия электриче­ских генераторов. Если равномерно вращать проволочную рамку в однородном магнитном поле, то возникает индуцированный ток, периодически изменяющий свое направление. Даже одиночная рамка, вращающаяся в однородном маг­нитном поле, представляет собой генератор переменного тока. Более сложные генераторы обычно являются улучшенными вариантами такого устройства.

Источник