Заряд движется в магнитном поле индукция магнитного поля и скорость заряда увеличиваются в 3 раза: Заряд движется в магнитном поле. Индукция магнитного поля и скорость заряда увеличивается в 3 раза. Сила, действующая на заряд 1)Увеличивается в 3 раза; 2) Уменьшается в 3 раза; 3)Увеличивается в 9 ра…

Тест: Магнитное поле. Электромагнитная индукция.

Тест: Магнитное поле. Электромагнитная индукция. — Физика 11 класс

Английский язык

Астрономия

Белорусский язык

Биология

География

ИЗО

Информатика

История

Итальянский язык

Краеведение

Литература

Математика

Музыка

Немецкий язык

ОБЖ

Обществознание

Окружающий мир

ОРКСЭ

Русский язык

Технология

Физика

Физкультура

Химия

Черчение

Для учителей

Дошкольникам

VIP — доступ

• Предметы
»
• Физика
»
• 11 класс
»
• Магнитное поле. Электромагнитная индукция.

Магнитное поле. Электромагнитная индукция.

Подготовка к зачёту

Физика 11 класс | Автор: Денисова Н.В. | ID: 3017 | Дата: 29.10.2014

+11 -5

Помещать страницу в закладки могут только зарегистрированные пользователи
Зарегистрироваться

Вопрос № 1

Кто открыл явление электромагнитной индукции?

X. Эрстед
Ш. Кулон
М. Фарадей
А. Ампер

Вопрос № 2

Какая из приведенных формул определяет магнитный поток?

qvBsin а
qvBI
BScos а
IBlsin a

Вопрос № 3

Укажите формулу силы, действующей на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля

F = IBlsin а
F = qvBsin а
F = mа
F = vBlsin а

Вопрос № 4

Как располагаются железные опилки в магнитном поле прямого тока?

располагаются вдоль проводника с током
образуют замкнутые кривые вокруг проводника с током
располагаются беспорядочно

Вопрос № 5

Что является источником магнитного поля?

покоящаяся заряженная частица
любое движущееся тело
движущаяся заряженная частица

Вопрос № 6

Какое поле считается однородным?

линии магнитного поля находятся на разных расстояниях друг от друга и не параллельны
линии магнитного поля параллельны и находятся на равных расстояниях друг от друга
линии магнитного поля параллельны и находятся на разных расстояниях друг от друга

Вопрос № 7

В каких единицах измеряется вектор магнитной индукции?

Н
А
Тл

Вопрос № 8

Единицей измерения какой физической величины является 1 Генри?

индукции магнитного поля
самоиндукции
магнитного потока
индуктивности

Вопрос № 9

Что наблюдалось в опыте Эрстеда?

взаимодействие двух проводников с током
взаимодействие двух магнитных стрелок
поворот магнитной стрелки вблизи проводника при пропускании через него тока
возникновение электрического тока в катушке при вдвигании в неё магнита

Вопрос № 10

Как взаимодействуют два параллельных проводника при протекании в них тока в противоположных направлениях?

притягиваются
поворачиваются
отталкиваются

Вопрос № 11

Заряд движется в магнитном поле. Индукция магнитного поля и скорость заряда увеличиваются в 2 раза. Как изменится сила, действующая на заряд?

уменьшится в 2 раза
увеличится в 4 раза
уменьшится в 4 раза
увеличится в 2 раза

Вопрос № 12

По какой формуле следует определять модуль силы Ампера?

IBLsin а
ILBcos а
нет такой формулы
qvBsin а

Вопрос № 13

Как изменится энергия магнитного поля катушки при увеличении силы тока через катушку в 3 раза?

уменьшится в 9 раз
уменьшится в 3 раза
увеличится в 9 раз
увеличится в 3 раза

Вопрос № 14

Чему равна ЭДС самоиндукции в катушке с индуктивностью 0,4 Гн при равномерном уменьшении силы тока с 15 до 10 А за 0,2 с.

0
10
50
0,4

Вопрос № 15

Поворот магнитной стрелки вблизи проводника с током объясняется тем, что на нее действует…

гравитационное поле проводника
электрическое поле, созданное движущимися зарядами проводника

магнитное поле, созданное движущимися зарядами проводника

Показать ответы

Получение сертификата
о прохождении теста

Доступно только зарегистрированным пользователям

© TestEdu.ru 2013-2022

E-mail администратора: [email protected]

Действие магнитного поля на движущийся электрический заряд 11 класс онлайн-подготовка на Ростелеком Лицей

«Модели эфиров»

 

Если бы Андре Мари Ампер (рис. 1) знал о действии электрического тока, то продвинулся бы гораздо дальше в своих открытиях.

 

Рис. 1. Андри Мари Ампер (Источник)

Как и многие ученые того периода, Ампер придерживался «модели эфира»: электрический ток – эфир, некая жидкость, которая протекает по проводникам. Именно отсюда и сам термин «электрический ток» – то, что течет. Только в самом конце XIX века – начале ХХ модели эфиров стали отходить, а на смену им стали появляться новые модели, адекватнее отражающие наблюдаемые явления. В частности, были открыты катодные лучи, была выявлена радиоактивность, проведены исследования Фарадея по электролизу – все это наводило на мысль о существовании заряженных частиц, которые как-то движутся.

 

Электронная модель Хендрика Лоренца

 

 

Ученый Хендрик Лоренц (рис. 2) предложил так называемую «электронную модель» металлов.

 

Рис. 2. Хендрик Лоренц (Источник)

При образовании кристаллической решетки металлов от каждого атома металла отрывается по одному внешнему электрону, таким образом, в узлах кристаллической решетки находятся положительные ионы, а в объеме этой решетки почти свободно могут двигаться электроны (рис. 3).

Рис. 3. Кристаллическая решетка

Модель, предложенная Лоренцом, была хороша хотя бы тем, что достаточно легко объясняла возникновение электрического тока в металлах. При обычных условиях эти электроны находятся в беспорядочном движении вокруг кристаллической решетки. И только при подаче разности потенциалов на конце проводника, когда внутри проводника появляется электрическое поле, кроме этой хаотической составляющей появляется другая – упорядоченная составляющая, или направленное движение. Именно это движение, согласно модели Лоренца, представляет собой электрический ток.

Вы знаете, что стороны магнитного поля (B) на проводник с током (I) действует сила Ампера (F), перпендикулярная направлению тока и направлению линий магнитного поля (рис. 4).

Рис. 4. Направление силы Ампера

«Если электрический ток представляет собой направленное движение зарядов, то не будет ли со стороны магнитного поля действовать такая же сила на сами заряды?» – примерно так рассуждал Лоренц. В выражение для силы Ампера вместо силы тока подставим определение силы тока – отношение перенесенного заряда в проводнике ко времени, за которое было осуществлено данное перенесение:

Также заметим, что отношение элемента длины проводника к интервалу времени – скорость движения заряда:

Тогда выражение принимает вид:

Модуль силы равен произведению величины магнитной индукции поля на количество переносимого через проводник заряда на скорость частиц, которые переносят заряд и на синус угла между направлением движения заряда и направлением вектора магнитной индукции.

Учтем, что носителями электрического тока в проводнике являются электроны, величина зарядов которых одинакова. Поэтому можно записать, что совокупный заряд, переносимый через поперечное сечение проводника, – произведение заряда электрона q на количество электронов N, переносимых через поперечное сечение проводника.

Тогда:

Вывод приведенной формулы был сугубо формальным, однако даже такой вывод позволял предположить, что не только на проводник с током, но и на отдельный заряд в магнитном поле будет действовать сила со стороны этого поля. Предположим, что число зарядов равно единице и этот заряд движется не внутри кристаллической решетки, а в свободном пространстве. Возникает вопрос: что произойдет с этим зарядом, если он войдет в область, где существует однородное магнитное поле? Согласно нашей гипотезе, на частицу, движущуюся в однородном магнитном поле, должна действовать сила, которая перпендикулярна скорости этой частицы (поскольку именно так будет направлен электрический ток, связанный с движением этих частиц) и перпендикулярна линиям магнитного поля (рис. 5).

Рис. 5. Направление действия силы на движущийся заряд

Величина этой силы будет определяться так:

 

Проверка гипотезы Лоренца. Принцип работы электронно-лучевой трубки

 

 

Открытие катодных лучей, а также радиоактивности позволили проверить экспериментально гипотезу Лоренца. Воспользуемся электронно-лучевой трубкой.

 

В вакуумной трубке размещены две пластины: анод и катод. На катод подается отрицательный потенциал, на анод – положительный. Для того чтобы в трубке возникли свободные электроны, катод нагревается нитью накала. Свободные электроны металлического катода вблизи его поверхности могут покидать эту поверхность, обладая высокой кинетической энергией за счет нагревания – явление термоэлектронной эмиссии. Свободные электроны, покинувшие поверхность катода, попадают в зону действия электрического поля между анодом и катодом. Линии напряженности этого поля направлены от анода к катоду (изображены белыми стрелками). Электроны, будучи отрицательно заряженными частицами, движутся от катода к аноду – против линии напряженности поля (направление движения изображено красными стрелками). Так, в трубке возникает электрический ток, направленный от анода к катоду (рис. 6).

Рис. 6. Электронно-лучевая трубка

Если использовать экран, покрытый специальным материалом, который светится при попадании на него заряженных частиц, можно пронаблюдать место попадания электронов по световому пятну. Именно так и работает электронно-лучевая трубка. При подаче напряжения на анод и катод мы видим небольшое зеленое пятно на экране – это место бомбардировки экрана электронами (рис. 7).

Рис. 7. Работа электронно-лучевой трубки

 

Опыты с осциллографом

 

 

Воспользуемся осциллографом. Для удобства будем следить не за световым пятном, а за светящейся линией (рис. 8).

 

Рис. 8. Светящаяся линия на экране осциллографа

Когда одним из полюсов подводят к горизонтальной линии, находящейся на осциллографе, она отклоняется от своего первоначального значения в направлении, перпендикулярном направлению скорости и направлению линий магнитного поля, поскольку магнитное поле направлено от северного полюса к южному. Это на качественном уровне подтверждает гипотезу (рис. 9).

  

Рис. 9. Отклонения электронов в электронно-лучевой трубке

Попытаемся получить не только качественные, но и количественные результаты. Для этого будем проверять зависимость силы, действующей со стороны магнитного поля, от различных факторов. В частности, от скорости движения электронов. Каким образом можно поменять скорость движения электронов в осциллографе? При помощи регулировки яркости линии на осциллографе можно изменить скорость движения электронов в осциллографе. Чем ярче линия, тем быстрее движутся электроны внутри трубки. Если поднести магнит к осциллографу северным полюсом и менять скорость движения электронов, то по мере уменьшения яркости искажение линии также будет уменьшаться (рис. 10). Это означает, что сила, действующая со стороны магнитного поля на электроны, при уменьшении скорости электронов тоже уменьшается. Более точные измерения дадут нам прямую пропорциональность между силой, действующей со стороны магнитного поля на движущиеся заряды, и скоростью этих зарядов.

Рис. 10. При уменьшении яркости искажение линии уменьшается

Сила, действующая на заряды со стороны магнитного поля, пропорциональна индукции – если поднести несколько магнитов к осциллографу, то искажение будет гораздо сильнее.

Рис. 11. При усилении магнитного поля искажение линии увеличивается

Величина силы действующей со стороны магнитного поля на движущийся заряд зависит от взаимного направления вектора магнитной индукции и вектора скорости движения частиц. При поднесении магнитов к осциллографу южным полюсом линия будет искажаться в противоположном направлении.

Рис. 12. При поднесении магнитов южным полюсом линия искажается в противоположном направлении

 

Сила Лоренца

 

 

Обобщим выводы из проделанных экспериментов. На движущийся в магнитном поле заряд (q) со стороны магнитного поля действует сила (F), направление которой зависит от взаимного направления вектора скорости движения (v) заряда и вектора магнитной индукции поля (В). Величина силы пропорциональна скорости движения заряда и модулю магнитной индукции. Направление силы определяется по правилу «левой руки».

 

Таким образом, полученное ранее выражение для силы описывает взаимодействие магнитного поля с движущимся в этом поле электрическим зарядом. Открытие силы действия магнитного поля на движущийся в нем заряд стало возможным только благодаря улучшению представлений о строении вещества, электрическом токе в металлах, движении заряженных частиц. И огромную роль во всех этих задачах сыграл Лоренц, поэтому открытая сила и получила название сила Лоренца.

 

Формулы, описывающие движение заряженной частицы в магнитном поле

 

 

Сделаем еще несколько замечаний.

 

1. Вектор силы Лоренца перпендикулярен вектору скорости:

2. Если сила перпендикулярна вектору скорости, то она называется центростремительной. Под ее действием тело движется по окружности. Следовательно, сила Лоренца – центростремительная сила.

3. Под действием силы Лоренца заряд движется по дуге окружности, следовательно, он обладает центростремительным ускорением. Центростремительное ускорение может быть рассчитано как квадрат скорости движения, деленный на радиус окружности, который описывает тело:

 

4.

Согласно второму закону Ньютона, сила может быть определена как произведение массы тела на приобретаемое им ускорение:

Подставив выражения для силы Лоренца, получим:

 

Подставим выражение для центростремительного ускорения:

   (1.14)

После сокращения скорости получим следующие соотношения:

 

  

  

 

Список литературы

1. Касьянов В. А. Физика 11 кл.: Учебн. для общеобразоват. учреждений. 4-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2004. – 416 с.: ил., 8 л. цв. вкл.
2. Степанова Г. Н. Физика 11. – М.: Русское слово.
3. Пурышева Н. С., Важеевская Н. Е., Исаев Д. А., Чаругин В. М. Физика 11. – М.: Дрофа.

 

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-портал «fizika.in» (Источник)
2. Интернет-портал «Классная физика» (Источник)
3. Интернет-портал «balancer.ru» (Источник)

 

Домашнее задание

1. Касьянов В. А. Физика 11 кл.: Учебн. для общеобразоват. учреждений. 4-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2004. – 416с.: ил., 8 л. цв. вкл., ст. 85, в. 5, з. 2–4.
2. Какая сила действует на протон, который движется со скоростью 2 ∙ 10⁶ м/с в однородном магнитном поле с индукцией 0,1 Тл? Протон движется под углом 60° по отношению к линиям магнитной индукции поля.
3. На рис. 13 и 14 схематически показаны разные случаи взаимодействия заряженной частицы, которая движется, и магнитного поля. Сформулируйте задачу в каждом случае и решите ее.

Рис. 13	Рис. 14

4. ^* Электрон, который влетел в однородное магнитное поле под углом 60° по отношению к линиям магнитной индукции, двигается по винтовой линии радиусом 2 см, делая один оборот за 30 нс. Определите магнитную индукцию поля и шаг винтовой линии.

 

Что такое закон индукции Фарадея?

Здесь многодуговой электрический разряд от генератора Вимшерста, который разделяет отдельные электрические заряды с помощью электростатической индукции. (Изображение предоставлено: scotspencer/Getty Images)

Закон индукции Фарадея описывает, как электрический ток создает магнитное поле и, наоборот, как изменяющееся магнитное поле создает электрический ток в проводнике. Английский физик Майкл Фарадей получил признание за открытие магнитной индукции в 1831 году, но американский физик Джозеф Генри независимо сделал то же самое открытие примерно в то же время, по данным Техасского университета в Остине .

Невозможно переоценить значение открытия Фарадея. Магнитная индукция позволяет использовать электродвигатели, генераторы и трансформаторы, составляющие основу современной техники. Благодаря пониманию и использованию индукции у нас есть электрическая сеть и многие вещи, которые мы подключаем к ней.

Согласно Университету Святого Сердца, закон Фарадея позже был включен в более сложные уравнения Максвелла . Уравнения Максвелла были разработаны шотландским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом, чтобы объяснить взаимосвязь между электричеством и магнетизмом, по существу объединив их в единую электромагнитную силу и описав электромагнитные волны, из которых состоят радиоволны, видимый свет и рентгеновские лучи.

Связанный: 9 уравнений, изменивших мир

Электричество

Электрический заряд — это фундаментальное свойство материи, определяющее, как на некоторые элементарные частицы в этой материи воздействует электрическое или магнитное поле, согласно Britannica (opens в новой вкладке). Электрическое поле от локализованного точечного заряда — то есть гипотетического электрического заряда, расположенного в одной точке пространства — относительно простое, сказал Live Science Сериф Уран, профессор физики Питтсбургского государственного университета в Канзасе. Он описывает его как излучающий одинаково во всех направлениях, как свет от голой лампочки, и уменьшающийся в силе как обратный квадрат расстояния (1/ r ² ) в соответствии с законом Кулона, согласно Университету штата Джорджия . При удалении вдвое дальше напряженность поля уменьшается до одной четверти, а при удалении в три раза — до одной девятой.

Протоны имеют положительный заряд, а электроны — отрицательный. Однако протоны большей частью иммобилизованы внутри ядра атома, поэтому большинство знакомых нам электрических токов исходит от электронов. Электроны в проводящем материале, таком как металл, в значительной степени могут свободно перемещаться от одного атома к другому вдоль своих зон проводимости, которые являются высшими электронными орбитами, по данным Общественного колледжа Остина . По данным Университета штата Айова, достаточная электродвижущая сила, или напряжение, создает дисбаланс заряда, который может заставить электроны двигаться через проводник из области с более отрицательным зарядом в область с более положительным зарядом . Это движение и есть то, что мы называем электрическим током.

Магнетизм

Чтобы понять закон индукции Фарадея, важно иметь общее представление о магнитных полях. Магнитное поле является более сложным, чем электрическое поле. В то время как положительные и отрицательные электрические заряды могут существовать отдельно, магнитные полюса всегда идут парами — один северный и один южный, согласно Бостонскому университету . Как правило, магниты всех размеров — от субатомных частиц до магнитов промышленного размера, планет и звезд — являются диполями, то есть каждый из них имеет два полюса. Эти полюса называются северным и южным по направлению, в котором указывают стрелки компаса. Интересно, что противоположные полюса притягиваются, а одноименные полюса отталкиваются, поэтому северный магнитный полюс Земли на самом деле является южным магнитным полюсом, потому что он притягивает северные полюса стрелки компаса.

Согласно Университету штата Флорида, магнитное поле часто изображают в виде линий магнитного потока . В случае стержневого магнита силовые линии выходят из северного полюса и изгибаются, чтобы снова войти в южный полюс. В этой модели количество линий потока, проходящих через данную поверхность в пространстве, представляет собой плотность потока или силу поля. Примечательно, однако, что это только модель. Магнитное поле является гладким и непрерывным и фактически не состоит из дискретных линий.

Линии магнитного поля от стержневого магнита. (Изображение предоставлено snapgalleria Shutterstock)

Магнитное поле Земли создает огромный магнитный поток, но он рассеивается в огромном пространстве. Следовательно, через заданную область проходит лишь небольшое количество потока, что приводит к относительно слабому полю. Согласно лекции физика Университета Массачусетса Лоуэлла, поток от магнита-холодильника крошечный по сравнению с земным, но напряженность его поля во много раз сильнее на близком расстоянии, где его силовые линии гораздо более плотно упакованы. Жан-Франсуа Миллиталер. Однако по мере удаления поле быстро становится намного слабее.

Индукция

Если пропустить электрический ток по проводу, он создаст магнитное поле вокруг провода. Направление этого магнитного поля можно определить по так называемому правилу правой руки. По данным физического факультета Государственного университета Буффало в Нью-Йорке (открывается в новой вкладке), если вы вытяните большой палец и согнете пальцы правой руки, ваш большой палец будет указывать в положительном направлении тока, а пальцы согнуться на севере. направление магнитного поля.

Правило левой и правой руки для магнитного поля, вызванного током в прямом проводе. (Изображение предоставлено Fouad A. Saad Shutterstock)

Если согнуть провод в петлю, линии магнитного поля будут изгибаться вместе с ним, образуя тороид или форму пончика. В этом случае ваш большой палец указывает на северное направление магнитного поля, выходящего из центра петли, в то время как ваши пальцы указывают положительное направление тока в петле.

В круговой петле с током (а) правило правой руки определяет направление магнитного поля внутри и снаружи петли. (б) Более детальное отображение поля, аналогичное отображению стержневого магнита. (Изображение предоставлено OpenStax)

Если вы пропускаете ток через проволочную петлю в магнитном поле, взаимодействие этих магнитных полей будет оказывать скручивающую силу или крутящий момент на петлю, заставляя ее вращаться, согласно Рочестерскому технологическому институту (открывается в новом вкладку). Однако он будет вращаться только до тех пор, пока магнитные поля не выровняются, то есть он будет раскачиваться вперед и назад, а не вращаться. Чтобы петля продолжала вращаться, вы должны изменить направление тока, что изменит направление магнитного поля от петли. Затем петля повернется на 180 градусов, пока ее поле не выровняется в другом направлении. Это основа для электродвигателя.

И наоборот, если вы вращаете проволочную петлю в магнитном поле, это поле индуцирует в проводе электрический ток. По данным Техасского университета в Остине, направление тока будет меняться каждые пол-оборота, создавая переменный ток. Это основа для электрогенератора. Важно отметить, что ток индуцируется не движением провода, а открытием и закрытием петли по отношению к направлению поля. Когда петля обращена лицом к полю, через петлю проходит максимальное количество потока. Однако, когда петля повернута ребром к полю, линии потока не проходят через петлю. Именно это изменение количества потока, проходящего через петлю, индуцирует ток.

Другой эксперимент включает формирование петли из провода и подключение концов к чувствительному амперметру или гальванометру. Если вы затем протолкнете стержневой магнит через петлю, стрелка гальванометра начнет двигаться, указывая на индуцированный ток. Однако, как только вы остановите движение магнита, ток вернется к нулю. Поле от магнита индуцирует ток только тогда, когда он увеличивается или уменьшается. Если вы вытащите магнит обратно, он снова индуцирует ток в проводе, но на этот раз он будет в противоположном направлении, согласно Университету Флориды .

Магнит в проволочной петле, соединенной с гальванометром. (Изображение предоставлено: Fouad A. Saad Shutterstock)

Если бы вы поместили лампочку в цепь, она бы рассеивала электрическую энергию в виде света и тепла, и вы бы чувствовали сопротивление движению магнита при движении. это в и из цикла. Чтобы сдвинуть магнит, нужно совершить работу, эквивалентную энергии, потребляемой лампочкой.

В еще одном эксперименте вы можете построить две проволочные петли, соединить концы одной с батареей с выключателем, а концы другой петли соединить с гальванометром. Если вы поместите два контура близко друг к другу лицом к лицу и включите питание первого контура, гальванометр, подключенный ко второму контуру, покажет индуцированный ток, а затем быстро вернется к нулю, в соответствии с Калифорнийский университет в Санта-Барбаре (открывается в новой вкладке).

Здесь происходит то, что ток в первом контуре создает магнитное поле, которое, в свою очередь, индуцирует ток во втором контуре — но только в тот момент, когда магнитное поле меняется. Когда вы выключите переключатель, счетчик на мгновение отклонится в противоположном направлении. Это еще одно указание на то, что именно изменение напряженности магнитного поля, а не его силы или движения, индуцирует ток.

Это объясняется тем, что магнитное поле заставляет электроны в проводнике двигаться. Это движение и есть то, что мы знаем как электрический ток. В конце концов, однако, электроны достигают точки, в которой они находятся в равновесии с полем, и в этой точке они перестают двигаться. Затем, когда поле снимается или выключается, электроны возвращаются в исходное положение, создавая ток в противоположном направлении.

В отличие от гравитационного или электрического поля, поле магнитного диполя представляет собой более сложную трехмерную структуру, сила и направление которой варьируются в зависимости от места, где оно измеряется, поэтому для его полного описания требуются расчеты. Однако мы можем описать упрощенный случай однородного магнитного поля — например, очень маленький участок очень большого поля — как Φ B = BA , где Φ B — абсолютное значение магнитного потока , B это напряженность поля и — это определенная область, через которую проходит поле, согласно Университету Восточного Иллинойса (открывается в новой вкладке). И наоборот, в этом случае напряженность магнитного поля представляет собой поток на единицу площади, или B = Φ B / A .

Закон Фарадея

Теперь, когда у нас есть общее представление о магнитном поле, мы готовы определить закон индукции Фарадея. В нем говорится, что индуцированное напряжение в цепи пропорционально скорости изменения во времени магнитного потока через эту цепь, согласно Политехническому институту Ренсселера . Другими словами, чем быстрее меняется магнитное поле, тем больше будет напряжение в цепи. Направление изменения магнитного поля определяет направление тока.

Мы можем увеличить напряжение, добавив в цепь больше петель. Наведенное напряжение в катушке с двумя витками будет вдвое больше, чем с одним витком, а с тремя витками — втрое. Вот почему настоящие двигатели и генераторы обычно имеют большое количество катушек.

Теоретически двигатели и генераторы одинаковы. Если вы включите двигатель, он будет генерировать электричество, а если вы подадите это напряжение на генератор, он будет вращаться. Однако большинство реальных двигателей и генераторов оптимизированы только для одной функции.

Трансформаторы

Еще одним важным применением закона индукции Фарадея является трансформатор, изобретенный Николой Теслой. В этом устройстве переменный ток, который меняет направление много раз в секунду, проходит через катушку, намотанную на магнитный сердечник. Это создает изменяющееся магнитное поле в сердечнике, которое, в свою очередь, индуцирует ток во второй катушке, обернутой вокруг другой части того же магнитного сердечника, по данным Технического колледжа района Милуоки .

Схема трансформатора (Изображение предоставлено photoiconix Shutterstock)

Отношение количества витков в катушках определяет соотношение напряжения между входным и выходным током. Например, если вы возьмете трансформатор со 100 витками на входе и 50 витками на выходе и подадите переменный ток на 220 вольт, на выходе будет 110 вольт. По данным Университета штата Джорджия (открывается в новой вкладке), трансформатор не может увеличить мощность, которая является произведением напряжения и силы тока. Таким образом, если напряжение повышается, ток пропорционально снижается, и наоборот. В нашем примере входное напряжение 220 вольт при 10 амперах или 2200 ватт даст на выходе 110 вольт при 20 амперах — опять же, 2200 ватт. На практике трансформаторы никогда не бывают идеально эффективными, но хорошо спроектированный трансформатор обычно имеет потери мощности всего в несколько процентов, согласно данным Техасского университета в Остине .

Трансформаторы делают возможной электрическую сеть, от которой зависит наше индустриальное и технологическое общество. Линии электропередачи по пересеченной местности работают при напряжении в сотни тысяч вольт, чтобы передавать больше мощности в пределах токонесущей способности проводов. Это напряжение многократно снижается с помощью трансформаторов на распределительных подстанциях, пока оно не достигнет вашего дома, где оно, наконец, будет снижено до 220 и 110 вольт, которые могут питать вашу электрическую плиту и компьютер.

9Автор 0017 Live Science Эшли Хамер обновила эту статью 7 февраля 2022 г.

Дополнительные ресурсы

• Чтобы наглядно продемонстрировать закон Фарадея, посмотрите это видео (откроется в новой вкладке) с канала PhysicsHigh на YouTube.
• Узнайте, как работает правило правой руки, с помощью этого интерактивного задания (откроется в новой вкладке) Университета Теннесси, Ноксвилл.
• Узнайте об индукции из этой классической лекции Ричарда Фейнмана (открывается в новой вкладке), любезно предоставленной Калифорнийским технологическим институтом.

Библиография

Ричард Фитцпатрик, «Закон Фарадея», Техасский университет в Остине, 14 июля 2007 г. https://farside.ph.utexas.edu/teaching/302l/lectures/node85.html (открывается в новом tab) 

Линдси Гилметт, «История уравнений Максвелла», Университет Святого Сердца, 2012 г. tab) 

Университет штата Джорджия, «Закон Кулона». http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electric/elefor.html#c1 (открывается в новой вкладке) 

Общественный колледж Остина, «Бен Франклин должен был сказать, что электроны положительны? Неверно». https://www.austincc.edu/wkibbe/truth.htm (открывается в новой вкладке)

Университет штата Айова, «Напряжение». https://www.nde-ed.org/Physics/Electricity/electricalcurrent.xhtml (открывается в новой вкладке)

Бостонский университет, «Магнитные поля». http://physics.bu.edu/~duffy/sc526_notes09/B_field.html (открывается в новой вкладке) 

Университет штата Флорида, «Генераторы и двигатели», 2015 г. https://micro.magnet.fsu.edu/ электромаг/электричество/генераторы/ (откроется в новой вкладке) 

Жан-Франсуа Миллиталер, «Глава 8: Магнетизм и электромагнетизм», UMass Lowell. https://faculty.uml.edu//JeanFrancois_Millithaler/FunElec/Spring2017/pdf/Ch8%20-%20Magnetism%20n%20Electromagnetism.pdf (открывается в новой вкладке) 

Государственный университет Буффало, Нью-Йорк, «Правая рука». Правила: Руководство по нахождению направления магнитной силы». http://physicsed.buffalostate.edu/SeatExpts/resource/rhr/rhr.htm (открывается в новой вкладке)

Майкл Ричмонд, «Магнитные моменты и закон усилителя», Рочестерский технологический институт. http://spiff.rit.edu/classes/phys213/lectures/amp/amp_long. html (откроется в новой вкладке) 

Ричард Фицпатрик, «Генератор переменного тока», Техасский университет в Остине, 14 июля 2007 г. https://farside.ph.utexas.edu/teaching/302l/lectures/node90.html (открывается в новой вкладке)

Университет Флориды, «Направление наведенного тока». http://www.phys.ufl.edu/courses/phy2049/f07/lectures/2049_ch40B.pdf (открывается в новой вкладке)

Калифорнийский университет, Санта-Барбара, «Взаимная индукция с катушками и гальванометром». https://web.physics.ucsb.edu/~lecturedemonstrations/Composer/Pages/72.48.html (откроется в новой вкладке) 

Университет Восточного Иллинойса, «Закон Фарадея», 15 февраля 2011 г. https://ux1.eiu.edu/~cblehman/phy1161/0handouts_sp11/phy1161Lect14_Faraday_law_handout_short.pdf к магнетизму и индуцированным токам», Политехнический институт Ренсселера, 2002 г. https://www.rpi.edu/dept/phys/ScIT/InformationStorage/faraday/magnetism_a.html (открывается в новой вкладке) .» http://hyperphysics.phy-astr. gsu.edu/hbase/magnet/transf.html (открывается в новой вкладке) 

Джим Михолл, «Электромагнитная индукция», Технический колледж Милуоки, 2016 г. https://ecampus.matc.edu/mihalj/scitech/unit3/induction/induction.htm (открывается в новой вкладке) Трансформеры», Техасский университет в Остине, 14 июля 2007 г. https://farside.ph.utexas.edu/teaching/302l/lectures/node106.html (открывается в новой вкладке)

Джим Лукас — автор статей для Live Science. Он охватывает физику, астрономию и инженерное дело. Джим окончил Университет штата Миссури, где получил степень бакалавра наук в области физики, а также астрономию и техническое письмо. После окончания университета он работал в Лос-Аламосской национальной лаборатории системным администратором, техническим писателем-редактором и специалистом по ядерной безопасности. Помимо написания статей, он редактирует статьи в научных журналах по различным тематическим направлениям.

При участии

• Эшли Хамер, автор Live Science

Движущиеся заряды в магнитном поле: сила, отклонение

Когда мы строим электрические цепи, никогда не стоит использовать рядом с ними магниты. Причина этого в том, что основными единицами электрического поля являются электрические заряды, на которые воздействуют магнитные поля. Давайте посмотрим на электромагнитное влияние на электрический заряд, чтобы увидеть, что происходит, когда мы устанавливаем электрическое поле равным нулю.

Магнитные поля и электрические заряды

Современная физика основана на использовании полей, которые представляют собой зависящие от времени физические сущности, распространяющиеся в пространстве. Для электрических явлений мы используем электрические поля и законы, управляющие их поведением, а для магнитных явлений мы используем магнитные поля и законы, управляющие их поведением.

Важно отметить, что электрические поля и магнитные поля не являются независимыми друг от друга. Исторически было трудно понять, что оба физических поля являются частью одного общего описания, основанного на зарядах, которые, если они статичны, генерируют только электрическое поле, но при движении также генерируют магнитное поле.

Здесь нам нужно только рассматривать магнитное поле B как зависящее от времени и пространства векторное поле. Магнитные поля измеряются в Теслах (Тл). Мы также будем рассматривать только точечные частицы с определенным значением заряда q, измеряемым в кулонах (Кл).

Произведение векторов

Произведение векторов — это операция между двумя векторами, которая дает другой вектор. Результирующий вектор перпендикулярен двум перемноженным векторам и имеет модуль, который можно вычислить как:

Здесь, | | указывает модуль вектора, а угол — это угол, образованный между векторами. Векторное произведение обладает следующим свойством: изменение порядка векторов в векторном произведении приводит к общему знаку минус, т. е.:

Основное следствие рассмотрения векторных произведений состоит в том, что результирующий вектор перпендикулярен плоскости, определяемой два других вектора и что, если их угол равен нулю или 180º, векторное произведение является нулевым вектором.

Полезный способ определить направление результирующего вектора — использовать правило правой руки, показанное на рисунке ниже.

Рис. 1. Правило правой руки.

Движущиеся заряды в магнитном поле

Общий закон поведения электрического заряда в присутствии электромагнитного поля известен как сила Лоренца. В общее выражение входит и влияние внешнего электрического поля, но здесь мы ограничимся ситуациями, когда присутствует только магнитное поле.

Выражение для силы, действующей со стороны магнитного поля на движущийся электрический заряд:

Здесь v — векторная скорость, а произведение скорости на магнитное поле — векторное произведение.

Векторное произведение означает, что сила, действующая со стороны магнитного поля на движущийся заряд, перпендикулярна направлению поля и скорости заряда. Это также означает, что заряды, которые не движутся, не «видят» магнитное поле, поскольку оно на них не действует. Кроме того, если заряд движется в том же направлении, что и магнитное поле, он не почувствует его влияния.

Заряды, движущиеся в однородном магнитном поле

Используя математический аппарат предыдущего раздела, мы можем дать феноменологическое описание того, что происходит, когда электрический заряд движется в области, где есть магнитное поле. По формуле силы Лоренца мы можем изучать динамические траектории, а также энергию частиц.

Математическое описание

Ограничимся теперь случаем, когда магнитное поле имеет постоянное фиксированное значение B, не зависящее ни от пространства, ни от времени. Ограничимся также случаем постоянной начальной скорости v.

Наша постановка следующая: точечная частица с зарядом q движется в фиксированном направлении с постоянной скоростью. Без ограничения общности мы можем считать это направление осью x. Частица движется в области, где нет магнитного поля, пока внезапно не включается. Мы будем считать, что магнитное поле перпендикулярно скорости, поэтому у нас есть максимальный вектор от векторного произведения (с синусоидальной функцией, равной единице).

Рис. 2. Заряды противоположных знаков, приближающиеся к области с магнитным полем, входящим в страницу., Wikimedia Commons

Как только магнитное поле включается, магнитная сила заставляет частицу поворачиваться в направлении, определяемом силой Лоренца. При этом, согласно формуле, указательный палец указывает в направлении движения заряда, а средний — в направлении магнитного поля. Поскольку скорость изменяется из-за действия этой силы, сила теперь действует в другом направлении. Если вы медленно поворачиваете пальцы по правилу правой руки, то понимаете, что частица обязана описывать окружность, так как направление силы постоянно меняется.

Для такого рода установок существует соглашение о направлении магнитного поля, в соответствии с которым мы используем крестики для обозначения магнитного поля, входящего в страницу, и кружки для обозначения магнитного поля, которое выходит из нее, будучи направленным к наблюдателю.

Рисунок 3. Траектория заряда в магнитном поле, входящего на страницу Wikimedia Commons

Мы видели, что движущиеся заряды в однородном магнитном поле описывают круговые траектории. Общая теория кругового движения утверждает, что скорость описывающего его объекта не изменяется, а изменяется его скорость (направление), что и происходит с силой Лоренца.

Это влияет на энергию частицы, поскольку кинетическая энергия пропорциональна квадрату скорости. При постоянной скорости магнитное поле не изменяет энергию. Это требует тщательного рассмотрения при изучении того, как магниты притягивают металлы, поскольку при этом меняется энергия.

Что такое циклотроны?

Наконец, мы рассмотрим применение только что изученного эффекта: циклотроны, ускорители частиц, основанные на силе Лоренца.

По сути, частицы сначала ускоряются благодаря электрическому полю (по прямой линии), а затем попадают в область, где есть магнитное поле, которое заставляет их описывать круговое движение. Интенсивность магнитного поля можно изменить, чтобы воздействовать на частицу с большей силой и изменить ее скорость и скорость. Это позволяет ускорять частицы в круговом контуре.

Луч в циклотроне.

Циклотроны были достижением 20 века, так как до этого использовались только линейные ускорители, которые не позволяли поддерживать ускорение. С другой стороны, когда они достигают скорости, близкой к скорости света, эксперименты предполагают, что мы должны искать более совершенные устройства, которые учитывают как радиационные, так и релятивистские эффекты. Эти усовершенствованные устройства известны как синхротроны, которые используются, например, для производства короткоживущих радиоактивных изотопов.

Ключевые выводы

• На движущуюся заряженную частицу действует магнитное поле. И заряд, и движение необходимы для того, чтобы поле проявляло силу.

• Сила, действующая со стороны магнитного поля на заряженную движущуюся частицу, известна как сила Лоренца. Это перпендикулярно направлению движения частицы и магнитному полю.

  No related posts.