Механізми виникнення індукційного струму в провідниках » mozok.click
 

mozok.click » Фізика » Механізми виникнення індукційного струму в провідниках
Інформація про новину
  • Переглядів: 203
  • Автор: admin
  • Дата: 12-02-2018, 19:49
12-02-2018, 19:49

Механізми виникнення індукційного струму в провідниках

Категорія: Фізика

Виникнення ЕРС під час руху провідника в магнітному полі. Звернімося до питання про природу ЕРС індукції. Спочатку розглянемо механізм виникнення ЕРС індукції під час руху провідника в стаціонарному магнітному полі.

Нехай в однорідному магнітному полі індукцією В розміщено прямолінійний металевий провідник довжиною І, який може ковзати по паралельних стержнях (мал. 142). При цьому швидкість руху провідника v напрямлена під кутом а до вектора В . Під час руху провідника зі швидкістю v будуть рухатись і його власні електрони та йони. А оскільки вони рухаються в магнітному полі, то на кожен йон та електрон діє сила Лоренца. Якщо йони під впливом сили Лоренца не покидають положень стійкої рівноваги у вузлах кристалічної ґратки, то вільні електрони провідника зміщуються до одного його кінця А, залишаючи на другому кінці В надлишок позитивних зарядів. Це розділення зарядів триватиме доти, поки вони не створять все-

редині провідника таке електростатичне поле (напрямлене від В до А), в якому на електричні заряди провідника діятиме сила, рівна за значенням і протилежна за напрямком силі Лоренца. Отже, зміщення електронів до кінця А припиниться за умови

Оскільки напруга на полюсах в разі розімкненого кола дорівнює ЕРС, то ЕРС індукції, яка виникає в провіднику під час його руху в магнітному полі, визначається формулою = Blusina.

Таким чином, причиною виникнення ЕРС індукції в рухомому провіднику є сила Лоренца.

ЕРС індукції такої природи виникає в будь-якому провіднику, коли він рухається в магнітному полі так, що його швидкість перпендикулярна до його власної довжини та утворює з вектором індукції магнітного поля кут а (іншими словами, коли він перетинає лінії індукції магнітного поля). Провідник стає джерелом ЕРС. Цю властивість використовують у генераторах електроенергії.



Пояснення діамагнетизму на основі правила Ленца. У § 26 ми зазначили, що в діамагнетику, внесеному в зовнішнє магнітне поле, відбувається так званий діамагнітний ефект, котрий полягає у виникненні в атомів речовини індукованого (наведеного) магнітного момента, який завжди напрямлений проти вектора індукції магнітного поля, тому відносна магнітна проникність діамагнетиків менша за одиницю (р < 1). Оскільки зовнішнє магнітне поле діє не тільки на вільні носії заряду в провіднику, а й взагалі на всі заряджені частинки речовини, що рухаються, в тому числі і на зв’язані електрони, котрі рухаються на певних відстанях навколо атомних ядер, то при цьому виникають зміни в орбітальних рухах електронів, що є причиною виникнення діамагнітного ефекту в усіх без винятку речовинах.

Діамагнетизм речовини якісно можна пояснити на основі правила Ленца щодо напрямку індукційного струму в провідниках.

Уявімо собі рух електрона навколо атомного ядра як деякий струм по замкненому контуру у формі орбіталі електрона. Відомо, що зі збільшенням магнітного потоку крізь замкнений контур (а в разі внесення речовини в зовнішнє магнітне поле магнітний потік, що пронизує електронні орбіти, зростає) в ньому виникає індукційний струм, напрям якого, за правилом Ленца, має бути таким, щоб власним магнітним полем протидіяти зміні зовнішнього магнітного поля, яка породжує цей індукційний струм. З цього випливає, що у кожного атома речовини в момент внесення в зовнішнє магнітне поле індукцією В виникає власний магнітний момент, напрямлений проти цього поля.

Індукційне електричне поле. Розглянемо випадок утворення індукційного струму в замкненому провіднику, коли змінюється магнітний потік через площину, обмежену цим провідником, але ніякого відносного руху

немає. Магнітне поле, що пронизує контур, в цьому випадку привести заряди у рух не може, оскільки воно діє лише на рухомі заряди (зрозуміло, хаотичний тепловий рух не враховуємо). Проте на нерухомі заряди може діяти електричне поле. Якщо це так, то звідки це поле береться? Можливо саме змінне магнітне поле може створювати (індукувати) електричне поле, яке вже й збуджує в замкненому провіднику індукційний струм?

Таке припущення вперше висловив Дж. Максвелл. Розвиваючи цю ідею, він створив теорію електромагнітного поля, яка була підтверджена багатьма дослідами. За теорією Максвелла, у просторі, в якому існує змінне магнітне поле, обов’язково виникає так зване індукційне електричне поле. При цьому виникнення індукційного електричного поля ніяк не пов’язане з наявністю в даній частині простору провідника. Наявність провідника лише дає змогу виявити це поле за збудженим ним індукційним електричним струмом.

Тепер явище електромагнітної індукції постає перед нами у новому світлі. Головне в ньому - це процес утворення змінним магнітним полем індукційного електричного поля. Суть явища електромагнітної індукції в нерухомому провіднику полягає, в першу чергу, у виникненні електричного поля, яке приводить у рух електричні заряди.


Електричне поле, що виникає в результаті зміни магнітного поля, має зовсім іншу структуру і властивості, ніж вивчене нами електростатичне (стаціонарне). Нагадаємо, що електростатичне поле зв’язане з електричними зарядами, і його лінії напруженості починаються і закінчуються на цих зарядах. Внаслідок цього воно не може підтримувати замкнутий рух вільних електронів або інших носіїв заряду, тобто забезпечити виникнення ЕРС. Індукційне електричне поле створює ЕРС в замкненому контурі, отже, воно безпосередньо не пов’язане з електричними зарядами, його лінії напруженості не мають ні початку, ні кінця - вони замкнені, як і лінії індукції магнітного поля. Таке поле називають вихровим. Крім того, лінії напруженості електричного і індукції магнітного полів розміщенні у взаємно перпендикулярних площинах (мал. 143). Чим швидше змінюється магнітна індукція, тим більша напруженість електричного поля. Згідно з правилом Ленца із зменшенням магнітної індукції напрям вектора напруженості визначається за правилом свердлика (правого гвинта). У випадку збільшення магнітної індукції напрям вектора індукції утворює лівій гвинт з напрямом вектора В .

Мал. 143. До визначення напрямку вектора напруженості вихрового електричного поля

Ще раз звернімо увагу на принципову відмінність між індукційним електричним і електростатичним полями нерухомих зарядів. При переміщенні зарядів в електростатичному полі робота вздовж замкнутої траєкторії дорівнює нулю. Однак це не стосується індукційного поля. Дійсно, досліди з електромагнітної індукції показали, що в замкнутому провіднику, який міститься в змінному магнітному полі, виникає індукційний електричний струм. Отже, в ньому переміщуються заряди. І якщо провідник має опір, то він нагрівається, і при цьому виконується робота. Однак у замкнутому контурі зі струмом відсутнє джерело струму, яке б могло виконувати цю роботу. Значить, роботу виконує індукційне поле, а отже, робота індукційного поля вздовж замкненої траєкторії не дорівнює нулю.


 

Вихрові струми. До цього часу ми говорили лише про лінійні провідники, в яких виникає індукційний струм у змінному магнітному полі. Якщо ж цей провідник буде виготовлено у вигляді суцільної пластини, то змінне магнітне поле теж зумовлює індукційні струми, вони самі собою замикаються всередині і тому називаються вихровими струмами.

Вперше вихрові струми виявив французький учений Франсуа Араго Фуко (1786-1853) у 1824 р., тому їх ще називають струмами Фуко. Фуко відкрив явище нагрівання металевих тіл, які обертаються у магнітному полі, вихровими струмами. Струми Фуко виникають під дією змінного електромагнітного поля і за своєю фізичною природою нічим не відрізняються від індукційних струмів, що виникають у лінійних провідниках.

Оскільки електричний опір провідників малий, то сила струмів Фуко може досягати великих значень. Згідно з правилом Ленца вони вибирають у провіднику такий напрямок, щоб протидіяти причині, яка їх викликає. Наприклад, суцільний провідник (пластина), рухаючись у сильному магнітному полі, зазнає сильного гальмування, яке пояснюється взаємодією струмів Фуко з магнітним полем (мал. 144). (Цей ефект використовують для демпфірування рухливих частин гальванометрів, сейсмографів тощо.)

Оскільки вихрові індукційні струми циркулюють всередині провідника, то вони зумовлюють його сильне нагрівання. Теплову дію струмів Фуко використовують в індукційних печах. Останні мають вигляд котушки, яка живиться від високочастотної батареї великої сили. В середину поміщають тіло-провідник, в якому виникають вихрові струми, які й розігрівають його до плавлення.

У багатьох випадках струми Фуко небажані, шкідливі. Для боротьби з ними вдаються до спеціальних заходів. Наприклад, осердя трансформаторів набирають з тонких пластин, перериваючи шляхи утворення великих вихрових струмів.

Дайте відповіді на запитання

1. Яка природа сили, що збуджує індукційний струм у провіднику, який рухається у постійному магнітному полі?

2. Яка природа сили, що збуджує індукційний струм у нерухомому контурі, який пронизується змінним магнітним полем?

3. Чим відрізняється вихрове електричне поле від електростатичного, чи стаціонарного?

4. Вектор індукції магнітного поля Землі напрямлений з півдня на північ, а автомобіль має швидкість із заходу на схід. Чи буде відбуватись дія магнітного поля на заряди кузова автомобіля?

5. Заряджені частинки у радіаційних поясах Землі рухаються по гвинтових лініях уздовж ліній магнітноїіндукції Землі, але поблизу магнітних полюсів вони гальмуються і розпочинають рухатися у протилежному напрямі. Яка причина гальмування?

6. Що таке вихрові струми? У чому проявляється їх негативний вплив?






^