Движение проводника в магнитном поле. Видеоурок. Физика 11 Класс

После выяснения природы ЭДС индукции, возникающей в неподвижном проводнике, находящемся в изменяющемся магнитном поле, мы узнали о свойствах электрического поля, отличающегося от того, что создаётся точечными зарядами. Также мы узнали о том, что работа по замкнутому контуру в поле, создаваемом точечными зарядами, равна нулю, а в вихревом поле не равна нулю. Именно это поле вызывает ЭДС в проводнике. Однако, если проводник будет двигаться в постоянном магнитном поле, на концах проводника возникнет разность потенциалов, там тоже возникнет ЭДС. Но природа этой силы будет другая. На этом уроке мы выясним природу ЭДС в проводнике, движущемся в магнитном поле.

Тема: Электромагнитная индукция

Урок: Движение проводника в магнитном поле

Для того чтобы установить природу силы в проводнике, который движется в магнитном поле, проведём эксперимент. Предположим, что в вертикальном однородном магнитном поле с индукцией () расположен горизонтальный проводник длиной (

l), который движется с постоянной скоростью () перпендикулярно вектору магнитной индукции магнитного поля. Если подсоединить к концам этого проводника чувствительный вольтметр, то увидим, что он покажет наличие разности потенциалов на концах этого проводника. Выясним, откуда берётся это напряжение. В данном случае нет контура и нет изменяющегося магнитного поля, поэтому мы не может сказать, что движение электронов в проводнике возникло в результате появления вихревого электрического поля. Когда проводник движется, как единое целое (рис. 1), у зарядов проводника и у положительных ионов, которые находятся в узлах кристаллической решётки, и у свободных электронов возникает скорость направленного движения.

          

                                              

Рис. 1

На эти заряды будет действовать сила Лоренца со стороны магнитного поля. Согласно правилу «левой руки»: четыре пальца, расположенные по направлению движения, ладонь разворачиваем так, чтобы вектор магнитной индукции входил в тыльную сторону, тогда большой палец укажет действие силы Лоренца на положительные заряды. 

Сила Лоренца, действующая на заряды, равна произведению модуля заряда, который она переносит, умноженной на модуль магнитной индукции, на скорость и синус угла между вектором магнитной индукции и вектором скорости.

 (1)

Эта сила будет совершать работу по переносу электронов на малые расстояния вдоль проводника.   

 (2)

Тогда полная работа силы Лоренца вдоль проводника будет определяться силой Лоренца, умноженной на длину проводника.

 (3)

Отношение работы сторонней силы по перемещению заряда к величине перенесённого заряда по определению ЭДС. 

 (4)

Итак, природа возникновения ЭДС индукции – это работа силы Лоренца. Однако, формулу 10.4. можно получить формально, исходя из определения ЭДС электромагнитной индукции, когда проводник перемещается в магнитном поле, пересекая линии магнитной индукции, перекрывая некоторую площадку, которую можно определить как произведение длины проводника на перемещение, которое можно выразить через скорость и время движения. ЭДС индукции по модулю равно отношению изменения магнитного потока ко времени.

 (5)

Модуль магнитной индукции постоянный, но изменяется площадь, которая покрывает проводник.  

 (6)

После подстановки, выражения в формулу 10.5. и сокращения получим:

 (7)

 (10.8.)

Сила Лоренца, действующая вдоль проводника, за счёт чего происходит перераспределение зарядов – это лишь одна составляющая сил. Также имеется вторая составляющая, которая возникает именно в результате движения зарядов. Если электроны начинают перемещаться по проводнику, а проводник находится в магнитном поле, то тогда начинает действовать сила Лоренца, и направлена она будет против движения скорости проводника. Таким образом, суммирующая сила Лоренца будет равна нулю.

Полученное выражение для ЭДС индукции, возникающей при движении проводника в магнитном поле, можно получить и формально, исходя из определения. ЭДС индукции равно скорости изменения магнитного потока за единицу времени, взятого со знаком минус. 

 

Когда неподвижный проводник находится в изменяющемся магнитном поле и когда сам проводник движется в постоянном магнитном поле, возникает явление электромагнитной 

индукции. И в том, и в другом случае возникает ЭДС индукции. Однако природа этой силы различна.

 

Список рекомендованной 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. Тихомирова С.А., Яровский Б.М., Физика 11. – М.: Мнемозина.
  3. Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И., Физика 11. – М.: Мнемозина.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

  1. Fizportal.ru (Источник).
  2. Eduspb.com (Источник).
  3. Классная физика (Источник).

Домашнее задание

  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., ст. 115, з. 1, 3, 4, ст. 133, з. 4.
  2. Вертикальный металлический стержень длиной 50 см движется горизонтально со скоростью 3 м/с в однородном магнитном поле с индукцией 0,15 Тл. Линии индукции магнитного поля направлены горизонтально под прямым углом к направлению вектора скорости стержня. Чему равна ЭДС индукции в стержне?
  3. С какой минимальной скоростью необходимо двигать в однородном магнитном поле с магнитной индукцией 50 мТл стержень длиной 2 м, чтобы в стержне возникла ЭДС индукции 0,6 В?
  4. * Квадрат, изготовленный из провода длиной 2 м, движется в однородном магнитном поле с индукцией 0,3 Тл (рис. 2). Какова ЭДС индукции в каждой со сторон квадрата? Общая ЭДС индукции в контуре? 
    υ     = 5 м/с, α = 30°.

interneturok.ru

Проводник, движущийся в магнитном поле. Электромагнитная индукция. Само- и взаимоиндукция. Виды ЭДС. Вихревые токи.

В металлическом проводнике большое количество свободных электронов, которые хаотично движутся. Если двигать проводник в магнитном поле перпендикулярно силовым линиям, то поле будет отклонять движущиеся вместе с проводником электроны, и они начнут двигаться, то есть возникнет

электродвижущая сила (ЭДС). Это называется электромагнитной индукцией (индуцировать — наводить).

Под действием ЭДС электроны будут двигаться и скапливаться на одном конце проводника, а на другом будет недостаток электронов, то есть положительный заряд и возникнет разность потенциалов, илиэлектрическое напряжение.

Если соединить такой проводник с внешней цепью (замкнуть путь), то под влиянием разности потенциалов будет протекать ток.

Если проводник двигать вдоль силовых линий, то поле на заряды действовать не будет, ЭДС, напряжение не возникнет, ток протекать не будет.

Такая ЭДС называется ЭДС индукции. Она определяется по закону Фарадея:

· ЭДС индукцииравна произведению скорости перемещения проводника V, магнитной индукции В и активной длины проводника L

E=VBL

Направление ее определяется по правилу правой руки:

· Если правую руку расположить в магнитном поле так, что силовые линии будут входить в ладонь, а отогнутый большой палец покажет направление движения проводника, то четыре вытянутых пальца покажут направление ЭДС.

 

ЭДС будет наводиться при любом пересечении проводника и магнитного поля. То есть можно двигать проводник, можно поле, а можно магнитное поле изменять.

Тогда ЭДС определяется по Максвеллу:

ЭДС, наведенная в контуре в результате пересечения его изменяющимся магнитным потоком, равна скорости изменения этого потока.

е= — ΔФ/Δt

Где ΔФ=Ф1— Ф2 изменение магнитного потока, Вб

Δt – время, за которое изменился магнитный поток, сек.

Правило Ленца: индуцированная ЭДС имеет такое направление, что созданный ею ток противодействует изменению магнитного потока.

  Таким образом, способы наведения ЭДС за счет магнитного поля: 1. Изменяем ток, а значит, магнитный поток в одной катушке и пересекаем им другую катушку (трансформатор) 2. Вращаем катушку в постоянном магнитном поле (генератор постоянного тока) 3. Вращаем постоянное поле электромагнита, или постоянного магнита относительно неподвижных катушек (генератор переменного тока)  

ЭДС самоиндукции.

Если в проводнике изменяется ток, изменяется и магнитный поток им созданный. Распространяясь в пространстве, этот магнитный поток пересекает не только соседние проводники, но и свой собственный, а значит, в собственном проводнике наводится ЭДС. Она называется ЭДС самоиндукции.

ЭДС самоиндукции – это ЭДС, возникающая в проводнике, при изменении собственного тока и магнитного потока.

Она возникает при всяком изменении тока и направлена так, чтобы не дать ему измениться. При уменьшении тока она направлена вместе с ним и поддерживает ток, при увеличении тока, направлена против, и ослабляет его.

Способность проводника (катушки) создавать ЭДС самоиндукции, называется индуктивностью L.

Она зависит от:

· Квадрата числа витков катушки w

· магнитной проницаемости µ

· сечения катушки S

· длины катушки l

L=(w2μS)/l , Гн(Генри)

ЭДС самоиндукции:

eL=-Δi/Δt , В

Где Δi/Δt – скорость изменения тока.

Эта ЭДС, препятствуя изменению тока мешает ему протекать, а значит создает сопротивление переменному току.

Коммутационные перенапряжения.

Это перенапряжения в цепях с большой индуктивностью при коммутации. В результате может возникнуть электрическая дуга, или искра, оплавляются контакты. Поэтому применяются меры дугогашения.

Взаимоиндукция.

ЭДС взаимоиндукции – это ЭДС, возникающая, в катушке при пересечении ее изменяющимся магнитным потоком другой катушки.

На этом принципе работает трансформатор.

Наведенное напряжение –это напряжение, возникающее в металлических конструкциях в результате пересечения их с переменным магнитным полем, созданным переменным током.

Таким образом, за счет магнитного поля возникают три вида ЭДС:

1. ЭДС индукции. Возникает при движении проводника в постоянном магнитном поле, или при движении поля относительно проводника.

2. ЭДС самоиндукции. Возникает из-за пересечения проводника собственным изменяющимся магнитным полем.

3. ЭДС взаимоиндукции. Возникает при пересечении проводника чужим изменяющимся магнитным полем.

Вихревые токи.

По другому: токи Фуко, индукционные токи.

Это токи, возникающие в массивных стальных частях электроустановок (сердечниках, корпусах), из-за пересечения их изменяющимся магнитным потоком и наведения ЭДС. В результате малого сопротивления, возникшие короткозамкнутые токи сильно нагревают машины.

Потери на вихревые токи – это потери мощности, идущие на нагрев.

Для снижения потерь уменьшают вихревые токи следующим образом:

1. Сердечники электромашин выполняют шихтованными, то есть набирают из листов электротехнической стали, изолированных лаком. Тем самым уменьшают сечение, а значит, увеличивают сопротивление току.

2. В сталь добавляют кремний, обладающий большим сопротивлением.


Похожие статьи:

poznayka.org

Репетитор-онлайн — подготовка к ЦТ

Пример 13. Проводящий контур, имеющий форму квадрата со стороной 20 см, помещен в однородное магнитное поле с индукцией 45 мТл. Плоскость контура составляет угол 30° с направлением силовых линий поля. За 0,15 с контур поворачивают таким образом, что его плоскость устанавливается перпендикулярно силовым линиям поля. Найти среднее значение ЭДС индукции, возникающей в контуре при его повороте в магнитном поле.

Решение. Появление ЭДС индукции в контуре вызвано изменением потока вектора индукции, пронизывающего плоскость квадрата, при повороте контура в магнитном поле.

Поток индукции магнитного поля через площадь квадрата определяется формулами:

  • в первом положении контура (до поворота)

Ф1 = BS cos α1,

где B — модуль индукции магнитного поля, B = 45 мТл; S — площадь квадрата, S = a 2; a — сторона квадрата, a = 20 см; α1 — угол между направлениями вектора магнитной индукции и вектора нормали (перпендикуляра) к плоскости квадрата в первом положении контура, α1 = = 90° − 30° = 60°;

  • во втором положении контура (после поворота)

Ф2 = BS cos α2,

где α2 — угол между направлениями вектора магнитной индукции и вектора нормали (перпендикуляра) к плоскости квадрата во втором положении контура, α2 = 0°.

Изменение потока вектора индукции магнитного поля определяется разностью

ΔФ=Ф2−Ф1=BScos0°−BScos60°=BS2.

Среднее значение ЭДС индукции, возникающей в контуре при его повороте в магнитном поле:

〈ℰi〉=|ΔФΔt|=−BS2Δt=Ba22Δt,

где ∆t — интервал времени, за который происходит поворот контура, ∆t = 0,15 с.

Расчет дает значение:

〈ℰi〉=45⋅10−3⋅(20⋅10−2)22⋅0,15=6,0⋅10−3 В=6,0 мВ.

При повороте контура в нем возникает ЭДС индукции, среднее значение которой равно 6,0 мВ.

vedy.by

Движение проводника в магнитном поле

1468. Проводник длиной 1 м движется со скоростью 5 м/с перпендикулярно линиям индукции однородного магнитного поля. Определите величину индукции магнитного поля (в мТл), если на концах проводника возникает разность потенциалов 0,02 В. (4)

1469. Самолет летит горизонтально со скоростью 900 км/ч. Найдите разность потенциалов (в мВ), возникающую между концами его крыльев, если вертикальная составляющая индукции магнитного поля Земли 50 мкТл, а размах крыльев 12 м. (150)

1470. Чему равна максимальная ЭДС (в мВ), которая может возникнуть при движении самолета со скоростью 900 км/ч, если размах его крыльев 20 м? Горизонтальная составляющая магнитного поля Земли 0,03 мТл, вертикальная составляющая 0,04 мТл. (250)

1471.Проводник длиной 2 м движется со скоростью 10 м/с в однородном магнитном поле с индукцией 0,2 Тл, оставаясь перпендикулярным линиям поля. Вектор скорости перпендикулярен к проводнику и образует с линиями индукции угол 30°. Найдите ЭДС, индуцируемую в проводнике. (2)

1472.С какой угловой скоростью надо вращать прямой проводник вокруг оси, проходящей через его конец, в плоскости, перпендикулярной линиям однородного магнитного поля с индукцией 0,2 Тл, чтобы в проводнике возникла ЭДС индукции 0,3 В? Длина проводника 20 см. (75)

1473. Сторона прямоугольного каркаса, имеющая длину 10 см, скользит со скоростью 1 м/с по двум другим сторонам, оставаясь с ними в электрическом контакте. Плоскость прямоугольника перпендикулярна линиям индукции однородного магнитного поля 0,01 Тл. Найдите силу тока (в мкА) в прямоугольнике через 0,9 с после начала движения. Сопротивление единицы длины провода 1 Ом/м. В начальный момент площадь прямоугольника равна нулю. (500)

1474. Из проволоки, сопротивление единицы длины которой 0,1 Ом/м, сделали квадрат и поместили его в однородное магнитное поле с индукцией 4 мТл перпендикулярно линиям поля. По двум противоположным сторонам квадрата скользит со скоростью 0,3 м/с перемычка из такой же проволоки, оставаясь параллельной двум другим сторонам. Чему равен ток (в мА) через перемычку в тот момент, когда она делит квадрат пополам? (6)

1475. Из проволоки, сопротивление единицы длины которой 0,1 Ом/м, сделали правильный треугольник и поместили его в однородное магнитное поле с индукцией 7 мТл перпендикулярно линиям поля. По треугольнику со скоростью 0,5 м/с скользит перемычка из такой же проволоки, оставаясь параллельной его стороне. Чему равен ток (в мА) через перемычку в тот момент, когда она проходит через середины сторон треугольника? (15)

1476. Из проволоки, сопротивление единицы длины которой 0,1 Ом/м, сделали ромб с углом 60° и поместили его в однородное магнитное поле с индукцией 4 мТл перпендикулярно линиям поля. По ромбу со скоростью 0,5 м/с скользит перемычка из такой же проволоки, оставаясь параллельной его малой диагонали. Чему равен ток (в мА) через перемычку в тот момент, когда она проходит через середины соседних сторон ромба? (8)

1477. Из проволоки диаметром 1 мм с удельным сопротивлением 10–7 Ом м сделали окружность и поместили ее в однородное магнитное поле с индукцией 4 мТл перпендикулярно линиям поля. По контуру скользит со скоростью 0,3 м/с перемычка, сопротивлением которой можно пренебречь. Чему равен ток (в мА) через перемычку в тот момент, когда она делит окружность пополам? (12)

1478. Из проволоки, сопротивление единицы длины которой 0,01 Ом/м, сделали окружность радиусом 17 см и поместили ее в однородное магнитное поле с индукцией 7 мТл перпендикулярно линиям поля. По контуру скользит со скоростью 0,3 м/с пере­мычка из такой же проволоки. Чему равна мощность (в мкВт) выделения теплоты в системе в тот момент, когда перемычка делит окружность пополам? Принять p = 3,14. (84)

1479. Длинную проволоку согнули под углом a (tg a = 3/4) и поместили в однородное магнитное поле с индукцией 0,1 Тл перпендикулярно линиям поля. Вдоль сторон угла равномерно перемещают перемычку из такой же проволоки так, что она все время образует прямой угол с одной из его сторон. В начальный момент перемычка находится на расстоянии 0,2 м, а через время 1 с — на расстоянии 0,6 м от вершины угла. Сколько теплоты (в мДж) выделилось в системе за это время? Сопротивление единицы длины проволоки 0,01 Ом/м. (12)

1480.По П-образной рамке, помещенной в однородное магнитное поле, перпендикулярное плоскости рамки, движется без трения с постоянной скоростью 2 м/с перемычка, сопротивление которой 2 Ом. К перемычке приложена сила 4 Н. Найдите силу тока в перемычке. Сопротивлением рамки пренебречь. Силу тяжести не учитывать. (2)

1481. По горизонтальной П-образной рамке, помещенной в однородное вертикальное магнитное поле с индукцией 40 мТл, движется без трения перемычка длиной 50 см, сопротивление которой 0,1 Ом. Какую минимальную силу (в мН) надо приложить к перемычке, чтобы скорость ее движения была 1 м/с? Сопротивлением рамки пренебречь. (4)

1482. По П-образной рамке, наклоненной под углом 30° к горизонту и помещенной в однородное магнитное поле, перпендикулярное плоскости рамки, начинает соскальзывать без трения перемычка массой 30 г. Длина перемычки 10 см, ее сопротивление 2 мОм, индукция поля 0,1 Тл. Найдите установившуюся скорость движения перемычки. Сопротивлением рамки пренебречь. g = 10 м/с2. (3)

1483. По П-образной рамке, наклоненной под углом 30° к горизонту и помещенной в однородное вертикальное магнитное поле, начинает соскальзывать без трения перемычка массой 30 г. Длина перемычки 10 см, ее сопротивление 1 мОм, индукция поля 0,1 Тл. Найдите установившуюся скорость движения перемычки. Сопротивлением рамки пренебречь. g = 10 м/с2. (2)

1484. По П-образной рамке, наклоненной к горизонту под углом, синус которого 0,8, и помещенной в однородное вертикальное магнитное поле, соскальзывает перемычка массой 20 г. Длина перемычки 10 см, ее сопротивление 1,2 мОм, индукция поля 0,1 Тл, коэффициент трения между перемычкой и рамкой 0,5. Найдите установившуюся скорость движения перемычки. Сопротивлением рамки пренебречь. g = 10 м/с2. (2)

1485. Замкнутый контур образован двумя вертикальными рейками, между концами которых включены одинаковые сопротивления 4 мОм. Расстояние между рейками 10 см, их сопротивления очень малы. Контур находится в однородном магнитном поле с индукцией 0,1 Тл, линии которого перпендикулярны плоскости контура. По рейкам без трения соскальзывает перемычка массой 10 г, сопротивление которой 4 мОм. Найдите установившуюся скорость перемычки. g = 10 м/с2. (6)

1486. Замкнутый контур образован двумя вертикальными рейками, между верхними концами которых включен источник тока с ЭДС 60 мВ и внутренним сопротивлением 1 мОм, а нижние концы замкнуты перемычкой, длина которой 10 см, а масса 10 г. Контур находится в перпендикулярном его плоскости однородном магнитном поле с индукцией 0,1 Тл. Когда перемычку освобождают, она начинает подниматься. Пренебрегая сопротивлениями реек и перемычки, а также трением, найдите ее установившуюся скорость. g = 10 м/с2. (5)

1487. Замкнутый контур образован двумя вертикальными рейками, между нижними концами которых включен источник тока с ЭДС 60 мВ и внутренним сопротивлением 1 мОм, а верхние концы замкнуты перемычкой, длина которой 10 см, а масса 10 г. Контур находится в перпендикулярном его плоскости однородном магнит­ном поле с индукцией 0,1 Тл. Когда перемычку освобождают, она начинает опускаться. Пренебрегая сопротивлениями реек и перемычки, а также трением, найдите ее установившуюся скорость. g = 10 м/с2. (7)

1488. По вертикальной П-образной рамке, помещенной в однородное магнитное поле, перпендикулярное плоскости рамки, соскальзывает без трения перемычка. В короткую сторону рамки включен конденсатор емкостью 2 мФ. Масса перемычки 3 г, ее длина 50 см, индукция поля 2 Тл. Пренебрегая сопротивлениями всех элементов цепи, найдите ускорение перемычки. g = 10 м/с2. (6)

1489. По П-образной рамке, наклоненной под углом 30° к горизонту и помещен­ной в однородное вертикальное магнитное поле, соскальзывает без трения перемычка. В короткую сторону рамки включен конденсатор емкостью 4 мФ. Масса перемычки 2 г, ее длина 25 см, индукция поля 4 Тл. Пренебрегая сопротивлениями всех элементов цепи, найдите ускорение перемычки. g = 10 м/с2. (2)

 




infopedia.su