Магнитный поток
Введение
Изучая электрические и магнитные явления, мы убеждаемся, что между ними существует тесная связь. Электрический ток создаёт магнитное поле, а изменяющееся магнитное поле, в свою очередь, может вызывать электрический ток. Это важнейшее открытие было сделано в XIX веке и легло в основу современной электротехники и энергетики.
Для количественного описания явления электромагнитной индукции в физике вводится понятие магнитного потока. Оно позволяет определить, насколько сильно магнитное поле «пронизывает» поверхность, ограниченную замкнутым проводящим контуром. Понимание магнитного потока необходимо для объяснения работы генераторов электрического тока, трансформаторов и многих других устройств.
В данной теме рассматриваются опыты Фарадея, проводится их анализ, вводится понятие магнитного потока и разбираются различные случаи возникновения индукционного тока.
Опыты Фарадея
Явление электромагнитной индукции было открыто английским учёным Майклом Фарадеем в 1831 году. Он провёл серию опытов, которые показали, при каких условиях в проводнике возникает электрический ток.
В одном из опытов катушка из провода соединялась с гальванометром. При внесении магнита внутрь катушки стрелка гальванометра отклонялась, что свидетельствовало о появлении тока. При остановке магнита отклонение исчезало. Если магнит вынимали из катушки, ток возникал снова, но его направление было противоположным.
В другом опыте использовались две катушки. Одна подключалась к источнику тока, а вторая — к измерительному прибору. При включении и выключении тока в первой катушке во второй кратковременно возникал ток. При постоянном токе в первой катушке индукционного тока во второй не наблюдалось.
Эти опыты показали, что причиной возникновения индукционного тока является не само магнитное поле, а его изменение.
Анализ опытов. Магнитный поток
Анализ опытов Фарадея показал, что во всех случаях возникновения индукционного тока происходит изменение условий, связанных с магнитным полем внутри контура. Для описания этого изменения было введено понятие магнитного потока.
Магнитный поток — это физическая величина, которая характеризует, сколько линий магнитного поля проходит через поверхность, ограниченную контуром. Обозначается магнитный поток буквой Φ.
Магнитный поток зависит от:
-
величины магнитной индукции;
-
площади поверхности контура;
-
ориентации поверхности по отношению к направлению магнитного поля.
Если магнитное поле усиливается или ослабевает, если изменяется площадь контура или его положение в магнитном поле, магнитный поток изменяется. Именно изменение магнитного потока является причиной возникновения индукционного тока.
Магнитный поток как физическая величина
В простейшем случае, когда магнитное поле однородно, а плоскость контура расположена перпендикулярно линиям магнитного поля, магнитный поток определяется произведением магнитной индукции на площадь поверхности:
магнитный поток равен произведению магнитной индукции на площадь поверхности.
Если же контур расположен под углом к линиям магнитного поля, магнитный поток уменьшается, так как через поверхность проходит меньше линий магнитного поля.
В системе СИ магнитный поток измеряется в веберах (Вб).
Различные случаи индукции
Изменение магнитного потока может происходить различными способами, и во всех этих случаях возникает индукционный ток:
-
Изменение магнитного поля
Например, при движении магнита относительно катушки или при изменении силы тока в соседнем проводнике. -
Изменение площади контура
Если замкнутый контур деформируется или часть его перемещается в магнитном поле, магнитный поток изменяется. -
Изменение ориентации контура
При повороте рамки в магнитном поле изменяется угол между поверхностью контура и направлением магнитного поля, что приводит к изменению магнитного потока. -
Совместное изменение нескольких факторов
В реальных устройствах часто одновременно изменяются и магнитное поле, и положение контура.
Все эти случаи подтверждают основной вывод: индукционный ток возникает только при изменении магнитного потока через контур.
Значение магнитного потока в технике
Понятие магнитного потока играет ключевую роль в электротехнике и энергетике. Оно используется при объяснении работы:
-
электрических генераторов;
-
трансформаторов;
-
электродвигателей;
-
индукционных нагревателей;
-
систем беспроводной передачи энергии.
Управляя магнитным потоком, человек научился эффективно получать и преобразовывать электрическую энергию.
Вопросы для самопроверки
-
Какие опыты привели Фарадея к открытию явления электромагнитной индукции?
-
Почему индукционный ток возникает только в момент изменения условий опыта?
-
Что называется магнитным потоком?
-
От каких величин зависит магнитный поток?
-
В чём состоит анализ опытов Фарадея с точки зрения магнитного потока?
-
В каких случаях магнитный поток изменяется?
-
Почему при повороте рамки в магнитном поле возникает индукционный ток?
-
В каких технических устройствах используется понятие магнитного потока?