Учебник по физике для поступающих в ВУЗ /Экзаменационные вопросы по физике (2006-2007)/

M = Pm B sin(α) (α = Pm ┴ B).

Из этой формулы видно, что максимальный момент:

Mmax = Pm·B(1) при α =90° (положение I на рис.)

M = 0 при α =0 (положение II).

Положение II соответствует устойчивому равновесию рамки.

Силовое действие магнитного поля в любой его точке на пролетающую через него заряженную частицу характеризуют магнитной индукцией В (или индукцией магнитного поля).

Магнитная индукция – способность магнитного поля оказывать силовое действие на проводник с током (векторная величина).

Индукцией магнитного поля в данной точке пространства называется. физическая величина, численно равная максимальному вращающему моменту, действующему. в данной точке на рамку с током, имеющую единичный магнитны. момент.

В =

Единица измерения – Тл (Тесла) (В честь ученого Николы Тесла)

1 Тл = 1

Индукция магнитного поля представляет. собой характеристику результирующего поля, созданного макро- и микротоками.

Индукцию можно изобразить силовыми линиями (аналог напряжённости электростатического. поля)

Вектор магнитной индукции – векторная физическая величина, характеризующая магнитное поле в данной точке пространства.

За направление вектора магнит­ной индукции принимается направ­ление от южного полюса S к север­ному N магнитной стрелки, свободно устанавливающейся в магнитном поле. Это направление совпадает с направлением положительной нормали к замкнутому контуру с током.

(положительная нормаль направлена в ту сторону, куда перемещается буравчик с правой нарезкой, если вращать его по направлению тока в рамке)

Направление вектора В связывают с направлением, в котором поворачивается в данном магнитном поле северный конец магнитной стрелки.

Направление вектора магнитной индукции В определяют правилом буравчика:

если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением вектора магнитной индукции.

Правило буравчика для витка с током (контурного тока):

Если вращать рукоятку буравчика по направлению тока в витке, то поступательное перемещение буравчика совпадет с направлением вектора магнитной индукции, созданной током в витке на своей оси.

Вектор магнитной индукции от элемента тока 1, протекающего к нам, направлен вверх. От элемента тока 2, протекающего от нас, вниз. Результирующее в произвольной точке А равно сумме этих векторов. Учитывая, что индукция магнитного поля убывает с увеличением расстояния от проводника с током:

Результирующий вектор магнитной индукции снаружи от кольцевого тока направлен противоположно вектору магнитной индукции внутри кольца

Правило правой руки для прямого тока:

Если охватить проводник правой рукой, направив отогнутый большой палец по направлению тока, то кончики остальных пальцев в данной точке покажут направление вектора магнитной индукции в этой точке.

Линии магнитной индукции – линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора магнитной индукции в этой точке.

Линии магнитной индукции для прямого проводника с током являются концентрическими окружностями с центром на оси проводника, лежащими в плоскостях, перпендикулярных проводнику.

Для витка с током линии магнитной индукции представляют собой окружности, охватывающие виток, с центрами по оси проводника.

Северный полюс магнитна – полюс, из которого выходят линии магнитной индукции.

Южный полюс магнита – полюс, в который входят линии магнитной индукции.

Однородное магнитное поле – поле, для которого в некоторой области пространства вектор магнитной индукции остается постоянным.

Однородное поле – параллельные линии, неоднородное поле – кривые линии.

Чем чаще линии, тем больше сила этого поля.

Линии индукции однородного магнитного о поля так же, как и линии напряженности однородного электростатического поля, - параллельные прямые, расположенные на одинаковом расстоянии друг от друга.

Важная особенность линий магнитной индукции состоит в том, что они не имеют ни начала, ни конца. Они всегда замкнуты.

Поля с замкнутыми силовыми линиями называют вихревыми.

Магнитное поле - вихревое поле.

В отличие от электростатического поля, магнитное поле является вихревым: линии магнитного поля всегда замкнуты, представляют собой окружности (вихри), охватывающие проводники с током.

Замкнутость линий магнитной индукции представляет собой фундаментальное свойство магнитного поля - магнитное поле не имеет источников.

Магнитных зарядов, подобно электрическим, в природе нет.

Магнитное поле не является потенциальным.

Линии индукции магнитного поля B строят согласно правилу правого винта.

Для магнитного поля, как и для электрического, выполняется принцип суперпозиции

Принцип суперпозиции магнитных полей:

Если в пространстве имеется несколько проводников с токами, то в каждой точке пространства магнитное поле создаётся каждым из проводников в отдельности независимо от наличия остальных.

Результирующая магнитная индукция поля в каждой точке равна векторной сумме индукций, создаваемых каждым проводником с током в отдельности.

Результирующий вектор магнитной индукции в данной точке поля равен сумме векторов магнитной индукции, созданной различными токами в этой точке.

Пусть заряженная частица движется перпендикулярно линиям магнитного поля (или касательная к ним). Тогда модуль магнитной индукции выразится формулой, очень похожей на формулу силовой характеристики электрического роля – напряженности (Е = Fэл/qпроб):

В = Fмаг/qпроб

ДЕЙСТВИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЗАРЯДЫ

См.ниже «Индукция магнитного поля. Поток магнитной индукции»

ИНДУКЦИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ. ПОТОК МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ

Вокруг проводника с током существует магнитное поле, обнаруживаемое по его действию на железные опилки или на маленькие магнитные стрелки.

Наблюдаемые при этом концентрические окружности вокруг проводника можно назвать линиями магнитного поля.

Магнитное поле – это особый вид материи, существующий вокруг движущихся заряженных тел или вокруг проводников с током и являющийся посредником в их взаимодействии.

Силовое действие магнитного поля в любой его точке на пролетающую через нее заряженную частицу характеризуют магнитной индукцией В (или индукцией магнитного поля).

Силовое действие магнитного поля в любой его точке на пролетающую через него заряженную частицу характеризуют магнитной индукцией В (или индукцией магнитного поля).

Магнитная индукция – способность магнитного поля оказывать силовое действие на проводник с током (векторная величина).

Индукцией магнитного поля в данной точке пространства называется. физическая величина, численно равная максимальному. вращающему моменту, действующему. в данной точке на рамку с током, имеющую единичный магнитны. момент.

В =

Единица измерения – Тл (Тесла) (В честь югославского ученого Николы Тесла)

1 Тл = 1

Модуль вектора магнитной индукции можно определить и через воздействие магнитного поле на проводник с током.

Модулем вектора магнитной индукции называется отношение максимальной силы, действующей со стороны магнитного поля на участок проводника с током, к произведению силы тока на длину этого участка:

B =

Магнитное поле полностью характеризуется вектором магнитной индукции . В каждой точке магнитного поля могут быть определены направление вектора магнитной индукции и его модуль с помощью измерения силы, действующей на проводник с током.

За единицу магнитной индукции можно принять магнитную индукцию однородного поля, в котором на участок проводника длиной в 1 м при силе тока в нем 1А действует со стороны поля максимальная сила 1Н.

За направление вектора магнит­ной индукции принимается направ­ление от южного полюса S к север­ному N магнитной стрелки, свободно устанавливающейся в магнитном поле.

Это направление совпадает с направлением положительной нормали к замкнутому контуру с током.

Индукцию можно изобразить силовыми линиями (аналог напряжённости электростатического. поля).

При рассмотрении индукции как вектора линии магнитного поля можно более строго назвать линиями вектора магнитной индукции. В тех участках поля, для которых эти линии – прямые (например, вблизи полюсов постоянного магнита), вектор В направлен вдоль них, а там, где они кривые, вектор В направлен вдоль касательных к ним.

Если во всех точках некоторого пространства вектор индукции имеет одинаковое значение по модулю и одинаковое направление, то поле в этой части называется однородным.

Направление вектора магнитной индукции В определяют правилом буравчика:

если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением вектора магнитной индукции.

Линии магнитной индукции – линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора магнитной индукции в этой точке.

Использовать вектор магнитной индукции B не всегда удобно, поскольку он зависит от свойств среды (и соответственно терпит разрыв на границе двух сред с различной магнитной проницаемостью)

Вводится характеристика магнитного поля, не зависящая от свойств среды – вектор напряжённости магнитного поля  (аналог D в электростатике).

m - относительная магнитная проницаемость среды. Для вакуума m = 1

m0 = 4π·107 Гн/м - магнитная постоянная.

Единица измерения напряженности магнитного поля - А/м.

За единицу напряженности магнитного поля принимают напряженность такого поля, у которого индукция B = 4π·107 Тл в вакууме

Для вакуума H = B/m0

Напряженность магнитного поля H определяется только макротоками и не зависит от микротоков. (См.выше «Магнитное поле»)

Поскольку  - вектор, для него принято строить линии напряжённости.

Магнитный поток (поток магнитной индукции) через поверхность площадью ∆S – физическая величина, равная скалярному произведению вектора магнитной индукции на вектор площади:

Ф = () = В ∆S cos(a)

(Скалярное произведение двух векторов равно произведению их модулей на косинус угла между ними)

Потоком магнитной индукции Ф сквозь участок поверхности с малой площадью ∆S называется скалярная величина:

Ф = В ∆S cos(a) = Вn ∆S

где Вn = B cos(a) - проекция вектора В магнитной индукции на нормаль к площадке

Единица измерения – Вб(Вебер) = Тл*м2 = В*с

1 Вб — это магнитный поток через площадку в 1 м2, расположенную перпендикулярно к линиям магнитной индукции в однородном магнитном поле с индукцией 1 Тл.

Положительный (отрицательный) знак магнитного потока соответствует острому (тупому) углу a, или условию Вn> 0 (Вn< 0).

Магнитный поток Ф сквозь поверхность с площадью S находится алгебраическим суммированием потоков ∆Ф сквозь участки поверхности.

Однородным магнитным полем называет­ся такое поле, в каждой точке которого индукция магнитного поля одина­кова по модулю и направлению

Если магнитное поле однородно, то магнитный поток через плоскую поверхность площадью S равен:

Φ = BS cos(a)

СИЛА АМПЕРА

Если через проводники пропускают ток одного направления, то они притягиваются, а если равного – то отталкиваются. Следовательно, между проводниками есть некое взаимодействие, которое нельзя объяснить наличием электрического поля, т.к. в целом проводники электронейтральны.

Магнитное поле создается движущимися электрическими зарядами и действует только на движущиеся заряды.

Магнитное поле является особым видом материи и непрерывно в пространстве.

Прохождение электрического ток по проводнику сопровождается порождением магнитного поля независимо от среды.

Магнитное взаимодействие проводников используется для определения величины силы тока:

1 ампер – сила тока, проходящего по двум параллельным проводникам ¥ длины, и малого поперечного сечения, расположенным на расстоянии 1 метра друг от друга, при которой магнитный поток вызывает в низ силу взаимодействия, равную 2*10-7Н на каждый метр длины.

Сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током, называется силой Ампера.

Закон, определяющий эту силу, был установлен Анри Ампером в 1820 году.

Закон Ампера:

Сила Ампера равна произведению вектора магнитной индукции на силу тока, длину участка проводника и на синус угла между магнитной индукцией и участком проводника.

FA = B |I| l sin(a)

Сила ампера пропорциональна вертикальной составляющей В^ = B sin(a).

Максимальная сила Ампера составляет: Fmax = B I l, ей соответствует угол a = π/2

Направление силы Ампера определяется по правилу левой руки:

если левую руку расположить так, чтобы перпендикулярная к проводнику составляющая вектора магнитной индукции В входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца были направлены по направлению тока, то отогнутый на 90˚ большой палец покажет направление силы, действующей на отрезок проводника с током .

В отличие от кулоновских сил, которые являются центральными, сила Ампера не является центральной.

Сила Ампера направлена перпендикулярно к линиям магнитной индукции.

Взаимодействие параллельных токов

Рассмотрим два параллельных проводника с током.

Проводник 1 создаёт магнитное поле, а проводник 2 находится в поле 1-го.

Тогда индукция магнитного поля B1 в точках нахождения проводника 2:

B1=mI1/2πd.

F2 = I2 B1 l2 sin(α) = m I1I2 l2 /2πd.

Аналогично сила F1, действующая на проводник 1 со стороны поля тока I2.

F1= F2, если l1= l2 = l.

Параллельные токи притягиваются, антипараллельные - отталкиваются.

При рассмотрении параллельных проводников вводят силу, действующую на единицу длины проводника:

fед.дл. = mI1I2/2πd

Опыты Ампера показали, что магнитные поля, создаваемые токами протекающими по бесконечно длинным параллельным проводникам, находящимся на расстоянии r друг от друга, приводят к возникновению на каждом отрезке проводников длиной Dl силы взаимодействия:

F12 = F21 = km Dl

коэффициент пропорциональности km = 2*10-7 Н/А2

Определение единицы силы тока – Ампер:

1А – сила постоянного тока, который, протекая по двум параллельным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенными в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, вызывает на каждом отрезке проводника длиной в 1 м силу взаимодействия равную 2*10-7Н.

Закон Ампера используют для расчета сил, действующих на проводники с током во многих технических устройствах, в частности в электродвигателях.

Применяется также в громкоговорителях, динамиках.

Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле применяется во всех электроизмерительных приборах и электрических машинах.        

СИЛА ЛОРЕНЦА

Электрический ток – это совокупность упорядоченно движущихся заряженных частиц.

Поэтому действие магнитного поля на проводник с током есть результат действия поля на движущиеся заряженные частицы внутри проводника.

Опытным путём установлено, что на за­ряд, движущийся в магнитном поле, действительно действует сила.

Силу, действующую на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля, называют силой Лоренца.

(в честь голландского физика Хендрика .Лоренца)

Модуль силы Лоренца равен отношению модуля силы Ампера FA, действующей на участок проводника длиной ∆l, к числу N заряженных частиц, упорядоченно движущихся на этом участке проводника:

Fл = FA /N.

Рассмотрим отрезок тонкого прямого проводника с током. Пусть длина отрезка ∆l и площадь поперечного сечения проводника S настолько малы, что вектор индукции магнитного поля В можно считать неизменным в пределах этого отрезка проводника.

Сила тока I в проводнике связана с зарядом частиц q, концентрацией заряженных частиц (числом зарядов в единице объема) и скоростью их упорядоченного движения v:

I = qnvS.

Модуль силы, действующей со стороны магнитного поля на выбранный элемент тока:

FA = |q| ∆lB sin(a).

Подставляя сюда предыдущее выражение для силы тока (I = qnvS), получим:

FA = |q| nvS ∆l B sin(a) = v |q| N B sin(a)

где N = nS∆l – число заряженных частиц в рассматриваемом объеме.

На движущийся заряд со стороны магнитного поля действует сила Лоренца:

Fл = = |q| vB sin(a),

где a – угол между вектором скорости v и вектором магнитной индукции B.

Сила Лоренца перпендикулярна векторам В и v, и ее направление определяется правилом левой руки(того же что и направление силы Ампера):

если руку расположить так, чтобы четыре вытянутых пальца совпадали с направлением движения положительного заряда, линии индукции магнитного поля входили в ладонь, то отставленный на 900 большой палец показывает направление силы.

В случае отрицательной частицы направление силы противоположное.

Если есть электрическое и магнитное поля, то полная сила, действующая на заряд равна:

Так как сила Лоренца перпендикулярна скорости частицы, то она не совершает работу.

Сила Лоренца не меняет кинетическую энергию частицы и, следовательно, модуль ее скорости. Под действием силы Лоренца меняется лишь направление частицы.

Траектория движения заряженной частицы в однородном магнитном поле зависит от угла α между скоростью частицы и вектором магнитной индукции.

Заряженная частица, влетающая в однородное магнитное поле параллельно линиям магнитной индукции, движется вдоль этих линий.

В этом случае α = 0 и соответственно Fл = 0. Частица (согласно принципу инерции) будет продолжать двигаться равномерно и прямолинейно с начальной скоростью вдоль линий магнитной индукции.

В однородном магнитном поле частица, движущаяся перпендикулярно линиям индукции магнитного поля, под действием силы Лоренца приобретает центростремительное ускорение:

a = =  и движется по окружности.

Заряженная частица, влетающая в однородное магнитное поле в плоскости, перпендикулярной линиям магнитной индукции, движется в этой плоскости по окружности.

Радиус окружности и период обращения определяются выражениями:

a = = Þ r =

Период обращения частицы по окружности в поперечном магнитном поле не зависит от ее скорости:

T =  =  (период не зависит от радиуса и скорости частицы)

Независимость периода обращения от радиуса и скорости используется в ускорителе заряженных частиц – циклотроне.

При движении заряженной частицы в однородном электрическом поле радиус движения частицы остается неизменным:

r =

В соответствии с правилом левой руки для определения силы Лоренца вращение отрицательного заряда по окружности происходит в направлении, противоположном вращению положительного заряда.

Направление вращения заряда определяется его знаком.

Действие силы Лоренца на движущиеся заряды можно наблюдать, поднося магнит к электроннолучевой трубке.

Масс-спектрограф – прибор для измерения масс заряженных частиц.

Принцип работы силы Лоренца в масс-спектрометрах:

Вакуумная камера прибора помещена в магнитное поле. Ускоренные электрическим полем заряженные частицы (электроны или ионы), описав дугу, попадают на фотопластинку, где оставляют след, позволяющий с большой точностью измерить радиус траектории. По этому радиусу определяется удельный заряд иона.

Зная же заряд иона, легко определить его массу.

ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ (уч.8кл.стр.143-145)

Электродвигатель постоянного тока. Принцип действия. Конструкция.

Электродвигатель переменного тока

Асинхронный электродвигатель. Принцип действия. Конструкция.

Магнитное поле действует с некоторой силой на любой проводник в током, находящийся в поле. При изменении направления тока в проводнике направление действия поля также меняется.

Практическое значение имеет вращение проводника с током в магнитном поле.

Вращение рамки с током в магнитном поле используется в электродвигателях постоянного тока, преобразующих электрическую энергию в механическую.

Рамка с током, находящаяся в положении неустойчивого равновесия, поворачивается на 180о вокруг горизонтальной оси.

В момент, когда рамка проходит положение устойчивого равновесия, коллектор меняет направление тока в рамке на противоположное. В результате рамка вновь оказывается в положении неустойчивого равновесия и пройдя по инерции это положение, продолжает вращение в прежнем направлении.

Коллектор – устройство для изменения направления тока, состоящее из полуколец, к которым прижимаются скользящие по ним контакты (щетки) для подведения тока к обмотке двигателя.

В реальных электродвигателях постоянного тока роль постоянного магнита выполняют электромагниты.

В реальных электродвигателях обмотка состоит из большого числа витков проволоки, уложенных в пазы вдоль боковой поверхности железного цилиндра, насаженного на вал электродвигателя. Этот цилиндр нужен для усиления магнитного поля.

Обмотка вместе с вращающимся цилиндром называется – якорем.

Магнитное поле, в котором вращается якорь, создается мощным электромагнитом, питающимся от того же источника, что и обмотка якоря. Неподвижные обмотки с металлическими сердечниками, создающие магнитное поле электродвигателя называются – статором.

В зависимости от способа соединения обмоток якоря и статора и их питания можно получить различные характеристики электродвигателя.

Меняя магнитное поле двигателя очень плавно можно менять его обороты.

Двигателя постоянного тока нашли особенно широкое применение на транспорте: троллейбусы, трамваи, метро, электровозы, суда электроходы.

Основные преимущества электродвигателей: малые размеры, экологичность, легкость монтажа. Можно изготовить электродвигатель любой мощности до сотен и тысяч кВт.

КПД мощных электродвигателей достигает 98%. Такой высокий КПД не имеет ни один другой двигатель.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43