Магнитный поток

 Введение. Опыты Фарадея

Про­дол­жая изу­че­ние темы «Элек­тро­маг­нит­ная ин­дук­ция» да­вай­те  по­дроб­нее оста­но­вить­ся на таком по­ня­тии, как маг­нит­ный поток.

Вы уже зна­е­те, как об­на­ру­жить яв­ле­ние элек­тро­маг­нит­ной ин­дук­ции - если за­мкну­тый про­вод­ник пе­ре­се­ка­ют маг­нит­ные линии, в этом про­вод­ни­ке воз­ни­ка­ет элек­три­че­ский ток. Такой ток на­зы­ва­ет­ся ин­дук­ци­он­ным.

Те­перь да­вай­те об­су­дим, за счет чего об­ра­зу­ет­ся этот элек­три­че­ский ток и что яв­ля­ет­ся глав­ным для того, чтобы этот ток по­явил­ся.

Пре­жде всего, об­ра­тим­ся к опыту Фа­ра­дея и по­смот­рим еще раз на его важ­ные осо­бен­но­сти.

Итак, у нас в на­ли­чии есть ам­пер­метр, ка­туш­ка с боль­шим чис­лом вит­ков, ко­то­рая на­ко­рот­ко при­креп­ле­на к этому ам­пер­мет­ру.

Берем маг­нит, и точно так же, как на преды­ду­щем уроке, опус­ка­ем этот маг­нит внутрь ка­туш­ки. Стрел­ка от­кло­ня­ет­ся, то есть в дан­ной цепи су­ще­ству­ет элек­три­че­ский ток.

 

  

Рис. 1. Опыт по об­на­ру­же­нию ин­дук­ци­он­но­го тока.

А вот когда маг­нит на­хо­дит­ся внут­ри ка­туш­ки элек­три­че­ско­го тока в цепи нет. Но стоит толь­ко по­пы­тать­ся этот маг­нит до­стать из ка­туш­ки, как в цепи вновь по­яв­ля­ет­ся элек­три­че­ский ток, но на­прав­ле­ние этого тока из­ме­ня­ет­ся на про­ти­во­по­лож­ное.

Об­ра­ти­те вни­ма­ние также на то, что зна­че­ние элек­три­че­ско­го тока, ко­то­рый про­те­ка­ет в цепи, за­ви­сит еще и от свойств са­мо­го маг­ни­та. Если взять дру­гой маг­нит и про­де­лать тот же экс­пе­ри­мент, зна­че­ние тока су­ще­ствен­но ме­ня­ет­ся, в дан­ном слу­чае ток ста­но­вит­ся мень­ше.

Про­ве­дя экс­пе­ри­мен­ты, можно сде­лать вывод о том, что элек­три­че­ский ток, ко­то­рый воз­ни­ка­ет в за­мкну­том про­вод­ни­ке (в ка­туш­ке), свя­зан с маг­нит­ным полем по­сто­ян­но­го маг­ни­та.

Иными сло­ва­ми, элек­три­че­ский ток за­ви­сит от ка­кой-то ха­рак­те­ри­сти­ки маг­нит­но­го поля. А мы уже ввели такую ха­рак­те­ри­сти­ку - маг­нит­ная ин­дук­ция.

На­пом­ним, что маг­нит­ная ин­дук­ция обо­зна­ча­ет­ся бук­вой , это - век­тор­ная ве­ли­чи­на. И из­ме­ря­ет­ся маг­нит­ная ин­дук­ция в тес­лах.

 ⇒ [Tл] - Тесла - в честь ев­ро­пей­ско­го и аме­ри­кан­ско­го уче­но­го Ни­ко­лы Тесла.

 

Маг­нит­ная ин­дук­ция ха­рак­те­ри­зу­ет дей­ствие маг­нит­но­го поля на про­вод­ник с током, по­ме­щен­ный в это поле.

 

Но, когда мы го­во­рим об элек­три­че­ском токе, то долж­ны по­ни­мать, что элек­три­че­ский ток, и это вы зна­е­те из 8 клас­са, воз­ни­ка­ет под дей­стви­ем элек­три­че­ско­го поля.

Сле­до­ва­тель­но, можно сде­лать вывод о том, что элек­три­че­ский ин­дук­ци­он­ный ток по­яв­ля­ет­ся за счет элек­три­че­ско­го поля, ко­то­рый в свою оче­редь об­ра­зу­ет­ся в ре­зуль­та­те дей­ствия маг­нит­но­го поля. И такая вза­и­мо­связь как раз осу­ществ­ля­ет­ся за счет маг­нит­но­го по­то­ка.

 Анализ опытов. Магнитный поток

Что же такое маг­нит­ный поток?

Маг­нит­ный поток обо­зна­ча­ет­ся бук­вой Ф и вы­ра­жа­ет­ся в таких еди­ни­цах, как вебер, и обо­зна­ча­ет­ся [Bб].

Маг­нит­ный поток можно срав­нить с по­то­ком жид­ко­сти, про­те­ка­ю­щей через огра­ни­чен­ную по­верх­ность. Если взять трубу, и в этой трубе про­те­ка­ет жид­кость, то, со­от­вет­ствен­но, через пло­щадь се­че­ния трубы будет про­те­кать опре­де­лен­ный поток воды.

Маг­нит­ный поток по такой ана­ло­гии ха­рак­те­ри­зу­ет, какое ко­ли­че­ство маг­нит­ных линий будет про­хо­дить через огра­ни­чен­ный кон­тур. Этот кон­тур это и есть пло­щад­ка, огра­ни­чен­ная про­во­лоч­ным вит­ком или, может быть, ка­кой-ли­бо дру­гой фор­мой, при этом обя­за­тель­но эта пло­щадь - огра­ни­чен­ная.

  

Рис. 2. В пер­вом слу­чае маг­нит­ный поток мак­си­ма­лен. Во вто­ром слу­чае – равен нулю. 

На ри­сун­ке изоб­ра­же­ны два витка. Один виток – это про­во­лоч­ный виток, через ко­то­рый про­хо­дят линии маг­нит­ной ин­дук­ции. Как ви­ди­те, этих линий здесь изоб­ра­же­но че­ты­ре. Если бы их было го­раз­до боль­ше, то мы бы го­во­ри­ли, что маг­нит­ный поток будет боль­шой. Если бы этих линий было мень­ше, на­при­мер, мы бы на­ри­со­ва­ли одну линию, то тогда бы мы могли ска­зать, что маг­нит­ный поток до­ста­точ­но мал, он неболь­шой.

И еще один слу­чай: тогда, когда виток рас­по­ла­га­ет­ся таким об­ра­зом, что через его пло­щадь не про­хо­дят маг­нит­ные линии. Такое впе­чат­ле­ние, что линии маг­нит­ной ин­дук­ции сколь­зят по по­верх­но­сти. В этом слу­чае можно ска­зать, что маг­нит­ный поток от­сут­ству­ет, т.е. нет линий, ко­то­рые про­ни­зы­ва­ли бы по­верх­ность этого кон­ту­ра.

Маг­нит­ный поток ха­рак­те­ри­зу­ет весь маг­нит в целом (либо дру­гой ис­точ­ник маг­нит­но­го поля). Если маг­нит­ная ин­дук­ция ха­рак­те­ри­зу­ет дей­ствие в ка­кой-то одной точке, то маг­нит­ный поток – весь маг­нит це­ли­ком. Можно ска­зать о том, что маг­нит­ный поток – это вто­рая очень важ­ная ха­рак­те­ри­сти­ка маг­нит­но­го поля. Если маг­нит­ную ин­дук­цию на­зы­ва­ют си­ло­вой ха­рак­те­ри­сти­кой маг­нит­но­го поля, то маг­нит­ный поток – это энер­ге­ти­че­ская ха­рак­те­ри­сти­ка маг­нит­но­го поля.

 

Вер­нув­шись к экс­пе­ри­мен­там, можно ска­зать о том, что каж­дый виток ка­туш­ки можно пред­ста­вить как от­дель­ный за­мкну­тый виток. Тот самый кон­тур, через ко­то­рый и будет про­хо­дить маг­нит­ный поток век­то­ра маг­нит­ной ин­дук­ции. В этом слу­чае будет на­блю­дать­ся ин­дук­ци­он­ный элек­три­че­ский ток.

Т.о., имен­но под дей­стви­ем маг­нит­но­го по­то­ка со­зда­ет­ся элек­три­че­ское поле в за­мкну­том про­вод­ни­ке. А уже это элек­три­че­ское поле со­зда­ет не что иное, как элек­три­че­ский ток.

 Различные случаи индукции

Да­вай­те по­смот­рим еще раз на экс­пе­ри­мент, и те­перь, уже зная, что су­ще­ству­ет маг­нит­ный поток, по­смот­рим на связь маг­нит­но­го по­то­ка и зна­че­ние ин­дук­ци­он­но­го элек­три­че­ско­го тока.

Возь­мем маг­нит и до­ста­точ­но мед­лен­но про­пу­стим его через ка­туш­ку. Зна­че­ние элек­три­че­ско­го тока ме­ня­ет­ся очень незна­чи­тель­но.

Если же по­пы­тать­ся вы­та­щить маг­нит быст­ро, то зна­че­ние элек­три­че­ско­го тока будет боль­ше, чем в пер­вом слу­чае.

В дан­ном слу­чае роль иг­ра­ет ско­рость из­ме­не­ния маг­нит­но­го по­то­ка. Если из­ме­не­ние ско­ро­сти маг­ни­та будет до­ста­точ­но боль­шим, зна­чит, и ин­дук­ци­он­ный ток тоже будет зна­чи­тель­ным.

В ре­зуль­та­те та­ко­го рода экс­пе­ри­мен­тов были вы­яв­ле­ны сле­ду­ю­щие за­ко­но­мер­но­сти.

  

Рис. 3. От чего за­ви­сят маг­нит­ный поток и ин­дук­ци­он­ный ток. 

1. Маг­нит­ный поток про­пор­ци­о­на­лен маг­нит­ной ин­дук­ции.

2. Маг­нит­ный поток прямо про­пор­ци­о­на­лен пло­ща­ди по­верх­но­сти кон­ту­ра, через ко­то­рый про­хо­дят линии маг­нит­ной ин­дук­ции.

3. И тре­тье - за­ви­си­мость маг­нит­но­го по­то­ка от угла рас­по­ло­же­ния кон­ту­ра. Мы уже об­ра­ща­ли вни­ма­ние на то, что, если пло­щадь кон­ту­ра тем или иным об­ра­зом, это ока­зы­ва­ет вли­я­ние на на­ли­чие и ве­ли­чи­ну маг­нит­но­го по­то­ка.

 

Таким об­ра­зом, можно ска­зать, что сила ин­дук­ци­он­но­го тока прямо про­пор­ци­о­наль­на ско­ро­сти из­ме­не­ния маг­нит­но­го по­то­ка.

I~

 

 _∆Ф – это из­ме­не­ние маг­нит­но­го по­то­ка.

_∆t – это время, в те­че­ние ко­то­ро­го из­ме­ня­ет­ся маг­нит­ный поток.

От­но­ше­ние  – это как раз и есть ско­рость из­ме­не­ния маг­нит­но­го по­то­ка.

Ис­хо­дя из этой за­ви­си­мо­сти, можно сде­лать вывод, что, на­при­мер, ин­дук­ци­он­ный ток может быть со­здан и до­ста­точ­но сла­бым маг­ни­том, но при этом ско­рость дви­же­ния этого маг­ни­та долж­на быть очень боль­шой.

Пер­вым че­ло­ве­ком, ко­то­рый этот закон по­лу­чил, был ан­глий­ский уче­ный М. Фа­ра­дей. По­ня­тие маг­нит­но­го по­то­ка поз­во­ля­ет глуб­же взгля­нуть на еди­ную при­ро­ду элек­три­че­ских и маг­нит­ных яв­ле­ний.