магнітний потік

2.10. МАГНІТНИЙ ПОТІК

Для того щоб усвідомити сенс нового для нас поняття «магнітний потік», детально розберемо кілька дослідів з наведенням ЕРС, звертаючи увагу на кількісну сторону вироблених спостережень.

У наших дослідах будемо користуватися установкою, зображеної на рис. 2.24.

Вона складається з великої многовитковой котушки, намотаною, скажімо, на трубу з щільного проклеенного картону. Харчування котушки проводиться від акумулятора через рубильник і регулювальний реостат. Про величину струму, що встановлюється в котушці, можна судити по амперметрі (на рис. 2.24 не показаний).

Всередині великий котушки може встановлюватися інша маленька котушка, кінці якої підведені до магнітоелектричного приладу - гальванометра.

Для наочності малюнка частина котушки показана вирізаної - це дозволяє побачити розташування маленької котушки.

При замиканні або розмиканні рубильника в маленькій котушці наводиться ЕРС і стрілка гальванометра на короткий час відкидається з нульового положення.

За відхилення можна судити про те, в якому випадку на веденная ЕРС більше, в якому менше.

Мал. 2.24. Пристрій, на якому можна вивчати наведення ЕРС постійно змінюваних магнітним полем

Помічаючи число поділок, на яке відкидається стрілка, можна кількісно порівнювати дію, вироблене наведеними ЕРС.

Перше спостереження. Вставивши всередину великий котушки маленьку, закріпимо її і поки не будемо нічого змінювати в їх розташуванні.

Включимо рубильник і, змінюючи опір реостата, включеного слідом за акумулятором, встановимо певне значення струму, наприклад

Зробимо тепер вимикання рубильника, спостерігаючи за гальванометром. Нехай його покидьок n виявиться рівним 5 поділів вправо:

коли вимикається струм 1 А.

Знову включимо рубильник і, змінюючи опір, збільшимо струм великої котушки до 4 А.

Дамо гальванометра заспокоїтися, і знову вимкнемо рубильник, спостерігаючи за гальванометром.

Якщо його покидьок становив 5 поділок при виключенні струму 1 А, то тепер при виключенні 4 А зауважимо, що покидьок збільшився в 4 рази:

коли вимикається струм 4 А.

Продовжуючи такі спостереження, легко зробити висновок, що покидьок гальванометра, а значить, і наведена ЕРС зростають пропорційно зростанню який відключається струму.

Але ми знаємо, що зміна струму викликає зміна магнітного поля (його індукції), тому правильний висновок з нашого спостереження такої:

наводимая ЕРС пропорційна швидкості зміни магнітної індукції.

Більш докладні спостереження підтверджують правильність цього висновку.

Друге спостереження. Продовжимо спостереження за покидьком гальванометра, виробляючи вимикання одного і того ж струму, скажімо, 1-4 А. Але будемо змінювати число витків N маленької котушки, залишаючи незмінними її розташування і розміри.

Припустимо, що покидьок гальванометра

спостерігався при (100 витків на малій котушці).

Як зміниться покидьок гальванометра, якщо подвоїти число витків?

Досвід показує, що

Саме цього і слід було очікувати.

Справді, все витки маленької котушки знаходяться під однаковим впливом магнітного поля, і в кожному витку повинна наводитися, однакова ЕРС.

Позначимо ЕРС одного витка буквою Їй тоді ЕРС 100 витків, включених послідовно один за іншим, повинна бути в 100 разів більше:

При будь-якому іншому числі витків

Якщо ЕРС зростає пропорційно числу витків, то само собою зрозуміло і те, що покидьок гальванометра повинен бути теж пропорційний числу витків.

Це і показує досвід. Отже,

наводимая ЕРС пропорційна числу витків.

Ще раз підкреслюємо, що розміри маленької котушки і її розташування під час нашого досвіду залишалися незмінними. Само собою зрозуміло, що експеримент проводився в одній і тій же великий котушці при виключенні того ж струму.

Третє спостереження. Проробивши кілька дослідів з однієї і тієї ж маленької котушкою при незмінності включається струму, легко переконатися в тому, що величина наводимой ЕРС залежить від того, як розташована маленька котушка.

Для спостереження залежності наводимой ЕРС від положення маленької котушки вдосконалюємо кілька нашу установку (рис. 2.25).

До виходить назовні кінця осі маленької котушки приробити вказівну стрілку і коло з розподілом (на кшталт

Мал. 2.25. Пристрій для повертання маленької котушки, закріпленої на стрижні, пропущеному через стінки великий котушки. Стрижень пов'язаний з вказівний стрілкою. Положення стрілки на напівкільці з поділами показує, як розташована маленька котушка тих, які можна зустріти на радіоприймачах).

Повертаючи стерженек, ми тепер по положенню вказівної стрілки можемо судити про те положенні, яке займає маленька котушка всередині великий.

Спостереження показують, що

найбільша ЕРС наводиться тоді, коли вісь маленької котушки збігається з напрямком магнітного поля,

іншими словами, коли осі великої і малої котушок паралельно.

Мал. 2.26. До висновку поняття «магнітний потік». Магнітне поле зображено лініями, проведеними з розрахунку дві лінії на 1 см2: а - котушка площею 2 см2 розташована перпендикулярно до напрямку поля. З кожним витком котушки зчеплений магнітний потік Цей потік зображений чотирма лініями, що перетинають котушку; б - котушка площею 4 см2 розташована перпендикулярно до напрямку поля. З кожним витком котушки зчеплений магнітний потік Цей потік зображений вісьмома лініями, що перетинають котушку; в - котушка площею 4 см2 розташована похило. Магнітний потік, зчеплений з кожним з її витоків, зображений чотирма лініями. Він дорівнює так як кожна лінія зображує, як це видно з рис. 2.26, а і б, потік в. Потік, зчеплений з котушкою, зменшується через її нахилу

Таке розташування маленької котушки показано на рис. 2.26, а і б. У міру повороту котушки наводимая в ній ЕРС буде все менше і менше.

Нарешті, якщо площину маленької котушки стане паралельної лініях, поля, в ній не буде наводитися ніякої ЕРС. Може виникнути питання, що ж буде при подальшому повороті маленької котушки?

Якщо ми повернемо котушку більше ніж на 90 ° (щодо вихідного положення), то зміниться знак наводимой ЕРС. Лінії поля будуть входити в котушку з іншого боку.

Четверте спостереження. Важливо провести ще одне, заключне спостереження.

Виберемо певне положення, в яке будемо ставити маленьку котушку.

Домовимося, наприклад, ставити її завжди в такий стан, щоб наводимая ЕРС була можливо великий (звичайно, при даному числі витків і даному значенні, що відключається струму). Виготовимо кілька маленьких котушок різного діаметра, але з однаковим числом витків.

Будемо ставити ці котушки в один і той же стан і, вимикаючи струм, будемо спостерігати за покидьком гальванометра.

Досвід покаже нам, що

наводимая ЕРС пропорційна площі поперечного перерізу котушок.

Магнітний потік. Всі спостереження дозволяють нам зробити висновок про те, що

наводимая ЕРС завжди пропорційна зміні магнітного потоку.

Але що таке магнітний потік?

Спочатку будемо говорити про магнітне потоці через плоску площадку S, що утворить прямий кут з напрямком магнітного поля. В цьому випадку магнітний потік дорівнює добутку площі на індукцію або

тут S - площа нашого майданчика, м2 ;; В - індукція, Тл; Ф - магнітний потік, Вб.

Одиницею потоку служить вебер.

Зображуючи магнітне поле за допомогою ліній, ми можемо сказати, що магнітний потік пропорційний числу ліній, які пронизують майданчик.

Якщо лінії поля проведені так, що число їх на перпендикулярно поставленої площині дорівнює індукції поля В, то потік дорівнює числу таких ліній.

На рис. 2.26 магнітне Люле в зображено лініями, проведеними з розрахунку двох ліній на Кожна лінія, таким чином, відповідає магнітному потоку величиною

Тепер для того щоб визначити величину магнітного потоку, досить просто порахувати кількість ліній, які пронизують майданчик, і помножити це число на

У разі рис. 2.26, а магнітний потік через площадку в 2 см2, перпендикулярну напрямку поля,

На рис. 2.26, а цей майданчик пронизана чотирма магнітними лініями. У разі рис. 2.26, б магнітний потік через поперечну майданчик в 4 см2 при індукції 0,2 Тл

і ми бачимо, що майданчик пронизана вісьмома магнітними лініями.

Магнітний потік, зчеплений з витком. Говорячи про наведеної ЕРС, нам потрібно мати на увазі потік, зчеплений з витком.

Потік, зчеплений з витком - це потік, який пронизує поверхню, обмежену витком.

На рис. 2.26 потік, зчеплений з кожним витком котушки, в разі рис. 2.26, а дорівнює а в разі рис. 2.26, б потік дорівнює

Якщо майданчик не перпендикулярна, а нахилена до магнітних лініях, то вже не можна визначати потік просто твором площі на індукцію. Потік в цьому випадку визначається як добуток індукції на площу проекції нашого майданчика. Йдеться про проекції на площину, перпендикулярну до ліній поля, або як би про тіні, що відкидається майданчиком (рис. 2.27).

Однак при будь-якій формі майданчики потік як і раніше пропорційний числу ліній, що проходять через неї, або дорівнює числу одиничних ліній, які пронизують майданчик.

Мал. 2.27. До висновку проекції площадки. Проводячи досліди більш детально і об'єднуючи наші третє і четверте спостереження, можна було б зробити такий висновок; наводимая ЕРС пропорційна площі тієї тіні, яку відкидає наша маленька котушка на площину, перпендикулярну до ліній поля, якби вона була освітлена променями світла, паралельними лініями поля. Така тінь називається проекцією

Так, на рис. 2.26, в потік через площадку в 4 см2 при індукції 0,2 Тл дорівнює всього (лінії ціною за). Зображення магнітного поля лініями дуже допомагає при визначенні потоку.

Якщо з кожним з N витків котушки зчеплений потік Ф, можна назвати твір ИФ повним потокозчеплення котушки. Поняттям потокосцепления можна особливо зручно користуватися, коли з різними витками зчеплені різні потоки. В цьому випадку повним потокосцепления називають суму потоків, зчеплених з кожним з витків.

Кілька зауважень про слово «потік». Чому ми говоримо про потік? Чи пов'язано з цим словом уявлення про якомусь перебігу чогось магнітного? Справді, кажучи «електричний струм», ми уявляємо собі рух (потік) електричних зарядів. Так само йде справа і в разі магнітного потоку?

Ні, коли ми говоримо «магнітний потік», ми маємо на увазі тільки певну міру магнітного поля (твір сили поля на площу), схожу на міру, якою користуються інженери і вчені, які вивчають рух рідин. При русі води вони називають її потоком твори швидкості води на площу поперечно розташованої майданчики (потік води в трубі дорівнює її швидкості на площу поперечного перерізу труби).

Звичайно, саме магнітне поле, яке представляє собою один з видів матерії, пов'язано і з особливою формою руху. У нас ще немає достатньо виразних уявлень і знань про характер цього руху, хоча про властивості магнітного поля сучасним ученим відомо багато: магнітне поле пов'язане з існуванням особливої ​​форми енергії, його основним заходом є індукція, інший дуже важливим заходом є магнітний потік.