Опыты Х. Эрстеда и А. Ампера (см. § 1) показали, что электрический ток создает магнитное поле. А можно ли сделать наоборот, то есть с помощью магнитного поля получить электрический ток? После более чем 16 тысяч опытов английский физик и химик Майкл Фарадей 29 августа 1831 г. получил электрический ток с помощью магнитного поля постоянного магнита. Какие же опыты проводил Фарадей и какое значение имело его открытие?
воспроизводим опыты Фарадея
Замкнем катушку на гальванометр и будем вводить в катушку постоянный магнит. Во время движения магнита стрелка гальванометра отклонится, а это означает, что в катушке возник электрический ток (рис. 8.1, а).
Чем быстрее двигать магнит, тем больше будет сила тока; если движение магнита прекратить, прекратится и ток — стрелка вернется на нулевую отметку (рис. 8.1, б). Вынимая магнит из катушки, видим, что стрелка гальванометра отклоняется в другую сторону (рис. 8.1, в), а после прекращения движения магнита снова возвращается на нулевую отметку.
Если оставить магнит неподвижным, а двигать катушку (или приближать ее к магниту, или удалять от него, или поворачивать вблизи полюса магнита), то снова будем наблюдать отклонение стрелки гальванометра.
Теперь возьмем две катушки — А и В — и наденем их на один сердечник (рис. 8.2). Катушку В через реостат присоединим к источнику тока, а катушку А замкнем на гальванометр. Если передвигать ползунок реостата, то в катушке А будет идти электрический ток. Ток будет возникать как при увеличении, так и при уменьшении силы тока в катушке В. А вот направление
Рис. 8.2. Если разомкнуть или замкнуть цепь катушки B или изменить в ней силу тока, в катушке A возникнет ток
Рис. 8.1. Возникновение тока в катушке фиксируется гальванометром: а — если магнит вводить в катушку, стрелка гальванометра отклоняется вправо; б — если магнит неподвижен, ток не возникает и стрелка не отклоняется; в — если выводить магнит из катушки, стрелка гальванометра отклоняется влево
тока будет разным: при увеличении силы тока стрелка гальванометра будет отклоняться в одну сторону, а при уменьшении — в другую. Ток в катушке А будет возникать также в момент замыкания и в момент размыкания цепи катушки В.
Возникнет ли ток в катушке А (см. рис. 8.2), если ее двигать относительно катушки В?
Все рассмотренные опыты — это современный вариант тех, которые на протяжении 10 лет проводил Майкл Фарадей и благодаря которым он пришел к выводу: в замкнутом проводящем контуре возникает
электрический ток, если количество линий магнитной индукции, пронизывающих ограниченную контуром поверхность, изменяется.
Рис. 8.3. Возникновение индукционного тока при изменении числа линий магнитной индукции, пронизывающих контур: а — контур приближают к магниту; б — ослабляют магнитное поле, в котором расположен контур
Данное явление было названо электромагнитной индукцией, а электрический ток, возникающий при этом, — индукционным (наведенным) током (рис. 8.3).
Возникнет ли в замкнутой рамке индукционный ток, если рамку поступательно (не поворачивая) передвигать между полюсами электромагнита (рис. 8.4)?
выясняем причины возникновения индукционного тока
Вы узнали, когда в замкнутом проводящем контуре возникает индукционный ток. А что является причиной его возникновения? Рассмотрим два случая.
1. Проводящий контур движется в магнитном поле (рис. 8.3, а). В данном случае свободные заряженные частицы внутри проводника движутся вместе с ним в определенном направлении. Магнитное поле действует на движущиеся заряженные частицы с определенной силой, и под действием этой силы частицы начинают направленное движение вдоль проводника, — в проводнике возникает индукционный электрический ток.
2. Неподвижный проводящий контур расположен в переменном магнитном поле (рис. 8.3, б). В этом случае силы, действующие со стороны магнитного поля, не могут сделать направленным хаотичное движение заряженных частиц внутри проводника. Почему же в контуре возникает индукционный ток? Дело в том, что переменное магнитное поле всегда сопровождается возникновением в окружающем пространстве вихревого электрического поля (силовые линии такого поля являются замкнутыми). Таким образом, не магнитное, а электрическое поле, действуя на свободные заряженные частицы в проводнике, придает им направленное движение, тем самым создавая индукционный ток.
Определяем направление индукционного тока
Чтобы определить направление индукционного тока, воспользуемся замкнутой катушкой. Если изменять пронизывающее катушку магнитное поле (например, приближать или удалять магнит), то в катушке возникает индукционный ток и она сама становится магнитом. Опыты показывают: 1) если магнит приближать к катушке, то катушка будет отталкиваться от магнита; 2) если магнит удалять от катушки, то катушка будет притягиваться к магниту.
Это означает:
Рис. 8.5. Направление индукционного тока в замкнутой катушке: а — магнит приближают к катушке; б — магнит удаляют от катушки
Рис. 8.6. Если вращать рамку в магнитном поле, в рамке возникает индукционный ток
1) если количество линий магнитной индукции, пронизывающих катушку, увеличивается (магнитное поле внутри катушки усиливается), то в катушке возникает индукционный ток такого направления, что катушка будет обращена к магниту одноименным полюсом (рис. 8.5, а).
2) если количество линий магнитной индукции, пронизывающих катушку, уменьшается, то в катушке возникает индукционный ток такого направления, что катушка будет обращена к магниту разноименным полюсом (рис. 8.5, б).
Зная полюсы катушки и воспользовавшись правой рукой (см. § 3), можно определить направление индукционного тока. Аналогично поступают и в случае, когда две катушки надеты на общий сердечник (см. пункт 5 § 8).
Знакомимся с промышленными источниками электрической энергии
Явление электромагнитной индукции используют в электромеханических генераторах, без которых невозможно представить современную электроэнергетику.
Электромеханический генератор — устройство, в котором механическая энергия преобразуется в электрическую.
Выясним принцип действия электромеханического генератора. Возьмем рамку, состоящую из нескольких витков провода, и будем вращать ее в магнитном поле (рис. 8.6). При вращении рамки число пронизывающих ее магнитных линий то увеличивается, то уменьшается. В результате в рамке возникает ток, наличие которого доказывает свечение лампы.
Промышленные генераторы электрического тока устроены практически так же, как электродвигатели, однако по принципу действия генератор — это электрический двигатель «наоборот». Как и электродвигатель, генератор состоит из статора и ротора (рис. 8.7). Массивный неподвижный статор (1) представляет собой полый цилиндр, на внутренней поверхности которого размещен толстый
медный изолированный провод — обмотка статора (2). Внутри статора вращается ротор (3). Он, как и ротор электродвигателя, представляет собой большой цилиндр, в пазы которого вложена обмотка ротора (4). Эта обмотка питается от источника постоянного тока. Ток течет по обмотке ротора, создавая магнитное поле, которое пронизывает обмотку статора.
Под действием пара (на тепловых и атомных электростанциях) или падающей с высоты воды (на гидроэлектростанциях) ротор генератора начинает быстро вращаться. Вследствие этого число линий магнитной индукции, пронизывающих витки обмотки статора, изменяется и в обмотке возникает индукционный ток. После ряда преобразований этот ток подают потребителям электрической энергии.
Учимся решать задачи Задача. Катушка и алюминиевое кольцо надеты на общий сердечник (рис. 1). Определите направление индукционного тока в кольце при замыкании ключа. Как будет вести себя кольцо в момент замыкания ключа? через некоторое время после замыкания ключа? в момент размыкания ключа?
Анализ физической проблемы, решение
1) Ток в катушке направлен по ее передней стенке вверх (от «+» к «-»). Воспользовавшись правой рукой, определим полюсы катушки (направление магнитных линий внутри катушки): ближе к кольцу будет южный полюс катушки (рис. 2).
2) В момент замыкания ключа сила тока в катушке увеличивается, поэтому магнитное поле внутри кольца усиливается.
3) В кольце возникает индукционный ток такого направления, что кольцо будет обращено к катушке одноименным полюсом (южным) и оттолкнется от нее.
4) Воспользовавшись правой рукой, определим направление индукционного тока в кольце (оно будет противоположно направлению тока в катушке).
Почти сразу после замыкания ключа ток в катушке будет постоянным, магнитное поле внутри кольца не будет изменяться и индукционного тока в кольце не будет. Кольцо изготовлено из магнитослабого материала, поэтому оно почти не будет взаимодействовать с катушкой.
В момент размыкания ключа сила тока в катушке быстро уменьшается, созданное катушкой магнитное поле ослабляется. В кольце возникает индукционный ток такого направления, что кольцо будет обращено к катушке разноименным полюсом и на короткое время притянется к ней (рис. 3).
Как определить направление индукционного тока (алгоритм)
1. Определяем направление магнитной индукции внешнего магнитного поля (B).
2. Выясняем, усиливается или ослабляется внешнее магнитное поле (увеличивается или уменьшается число линий магнитной индукции, пронизывающих контур).
3. Определяем направление магнитного поля, созданного индукционным током (B ).
4. Определяем направление индукционного тока.
Подводим итоги
В замкнутом проводящем контуре при изменении количества линий магнитной индукции, пронизывающих контур, возникает электрический ток. Такой ток называют индукционным, а явление возникновения тока — электромагнитной индукцией.
Одна из причин возникновения индукционного тока заключается в том, что переменное магнитное поле всегда сопровождается возникновением в окружающем пространстве электрического поля. Электрическое поле действует на свободные заряженные частицы в проводнике, и те начинают двигаться направленно — возникает индукционный ток.
Контрольные вопросы
1. Опишите опыты М. Фарадея. 2. В чем состоит явление электромагнитной индукции? 3. Какой ток называют индукционным? 4. Каковы причины возникновения индукционного тока? 5. Работа каких устройств основана на явлении электромагнитной индукции? Какие преобразования энергии в них происходят? 6. Опишите устройство и принцип действия генераторов электрического тока.
Упражнение № 8
1. Две неподвижные катушки расположены так, как показано на рис. 1. Миллиамперметр, подключенный к одной из катушек, регистрирует наличие тока. При каком условии это возможно?
2. На рис. 2 изображено устройство, которое называют «кольца Ленца». Устройство состоит из двух алюминиевых колец (сплошного и разрезанного),
закрепленных на алюминиевом коромысле, которое может легко вращаться вокруг вертикальной оси.
1) Как будет вести себя сплошное кольцо устройства, если: а) приближать к нему магнит? б) удалять от него магнит? в) приближать к нему магнит южным полюсом?
2) Для каждого случая а-в в пункте 1 определите направление индукционного тока в сплошном кольце и направление индукции магнитного поля, созданного этим током.
3) Что будет происходить, если магнит приближать к разрезанному алюминиевому кольцу?
3. Две катушки надеты на один сердечник (рис. 3). Определите направление индукционного тока в катушке А, если: 1) замкнуть цепь; 2) разомкнуть цепь; 3) передвинуть ползунок реостата влево; 4) передвинуть ползунок реостата вправо.
4. Составьте задачу, обратную задаче, рассмотренной в пункте 5 § 8. Решите составленную задачу.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2
Тема. Наблюдение явления электромагнитной индукции.
Цель: исследовать условия возникновения индукционного тока в замкнутой катушке; выяснить факторы, от которых зависят сила и направление индукционного тока.
Оборудование: миллиамперметр, два полосовых или два подковообразных магнита, проволочная катушка-моток на каркасе, маркер.
указания к работе
подготовка к эксперименту
1. Перед выполнением работы вспомните:
1) требования безопасности при работе с электрическими цепями;
2) правила, которые необходимо соблюдать при измерении силы тока амперметром;
3) как зависит сила индукционного тока от скорости изменения магнитного поля;
4) от чего зависит направление индукционного тока.
2. Выполните задание. На рис. 1-4 изображены полосовой магнит, катушка-моток, присоединенная к миллиамперметру, и указано направление скорости движения магнита. Перенесите рисунки в тетрадь и для каждого случая: 1) укажите магнитные полюсы катушки; 2) определите и покажите направление индукционного тока в катушке.
3. Соберите электрическую цепь, присоединив провода катушки к клеммам миллиамперметра.
4. На одном из торцов катушки поставьте маркером метку.
Строго придерживайтесь инструкции по безопасности (см. форзац). Эксперимент 1
Выяснение условий возникновения индукционного тока в замкнутом проводнике и факторов, от которых зависит направление индукционного тока.
Удерживая катушку и магнит в руках, последовательно выполните опыты, перечисленные в табл. 1. Заполните табл. 1.
Обратите внимание! Магнит нужно вводить в катушку и выводить из нее только со стороны того торца катушки, на котором поставлена метка.
Таблица 1
|
Номер опыта |
Действия с магнитом и катушкой |
Как ведет себя стрелка миллиамперметра (отклоняется влево, вправо, не отклоняется) |
|
1 |
Вводим магнит в катушку северным полюсом |
|
|
2 |
Оставляем магнит неподвижным |
|
|
3 |
Выводим магнит из катушки |
|
|
4 |
Вводим магнит в катушку южным полюсом |
|
|
5 |
Оставляем магнит неподвижным |
|
|
6 |
Выводим магнит из катушки |
|
|
7 |
Приближаем катушку к южному полюсу магнита |
|
|
8 |
Приближаем катушку к северному полюсу магнита |
Анализ результатов эксперимента 1
Проанализируйте табл. 1 и сформулируйте вывод, в котором укажите:
1) при каких условиях в замкнутой катушке возникает индукционный ток;
2) как изменяется направление индукционного тока при изменении направления движения магнита;
3) как изменяется направление индукционного тока при изменении полюса магнита, который приближают или удаляют от катушки.
Эксперимент 2
Выяснение факторов, от которых зависит значение индукционного тока. Удерживая катушку и магнит в руках, последовательно выполните опыты, перечисленные в табл. 2. Каждый раз снимайте показания миллиамперметра и заносите их в табл. 2.
Таблица 2
|
Номер опыта |
Действия с магнитом и катушкой |
Сила тока I, мА |
|
1 |
Быстро вводим магнит в катушку |
|
|
2 |
Медленно вводим магнит в катушку |
|
|
3 |
Быстро вводим в катушку два магнита, сложенных одноименными полюсами |
|
|
4 |
Медленно вводим в катушку два магнита, сложенных одноименными полюсами |
Анализ результатов эксперимента 2
Проанализируйте табл. 2 и сформулируйте вывод, в котором укажите:
1) как зависит сила индукционного тока от скорости относительного движения магнита и катушки;
2) как зависит сила индукционного тока от значения индукции внешнего магнитного поля, изменение которого послужило причиной возникновения тока в катушке.
Творческое задание
Продумайте и запишите план проведения экспериментов по исследованию условий возникновения индукционного тока в замкнутой катушке для случаев, когда две катушки надеты на общий сердечник (см. рис. 5-7). По возможности проведите эксперименты. Сформулируйте выводы. Для каждой катушки укажите полюсы и направление тока.
ПОДВОДИМ итоги РАЗДЕЛА I «Магнитное поле»
1. Изучая раздел I, вы выяснили, что сначала человек узнал о постоянных магнитах и начал их использовать; значительно позже были созданы электромагниты.
2. Вы узнали, что около намагниченного тела, подвижной заряженной частицы, и проводника с током существует магнитное поле.
магнитное поле
форма материи, которая существует около намагниченных тел, проводников с током и движущихся заряженных тел или частиц и действует на другие намагниченные тела, проводники с током и движущиеся заряженные тела или частицы, расположенные в этом поле
3. Вы узнали, что в магнитном поле все вещества намагничиваются, но по-разному.
МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВ
4. Вы выяснили, что на проводник с током, размещенный в магнитном поле, действует сила Ампера.
СИЛА АМПЕРА
Практическое применение силы Ампера
5. Вы воспроизвели опыты М. Фарадея и ознакомились с явлением электромагнитной индукции.
ЯВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ
Опыты Фарадея
Промышленное получение тока
Когда количество линий магнитной индукции, пронизывающих замкнутую катушку, изменяется, в катушке возникает индукционный электрический ток
Электромеханический генератор —
устройство, в котором благодаря электромагнитной индукции механическая энергия преобразуется в электрическую
ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ К РАЗДЕЛУ I «Магнитное поле»
Задания 1, 2, 5-7 содержат только один правильный ответ.
1. (1 балл) Южный магнитный полюс стрелки компаса обычно указывает:
а) на северный географический полюс Земли;
б) южный магнитный полюс Земли;
в) южный географический полюс Земли;
г) экватор Земли.
2. (1 балл) Магнитное поле катушки с током ослабевает, если:
а) в катушку ввести железный сердечник; в) уменьшить силу тока;
б) увеличить число витков в обмотке; г) увеличить силу тока.
А Опыты А. Ампера Б Опыт В. Гильберта В Опыт Х. Эрстеда Г Опыт Ш. Кулона Д Опыты М. Фарадея
3. (2 балла) Установите соответствие между научным фактом и опытами, благодаря которым этот факт был выявлен.
1 Около проводника с током существует магнитное поле
2 Около планеты Земля существует магнитное поле
3 Два проводника с током взаимодействуют
4 Переменное магнитное поле создает электрическое поле
4. (2 балла) Укажите все правильные утверждения.
а) Полюс магнита — это участок поверхности магнита, где магнитное действие проявляется сильнее всего.
б) Линии индукции однородного магнитного поля могут быть искривлены.
в) Единица магнитной индукции в СИ — тесла.
г) Ротор — это неподвижная часть двигателя.
5. (2 балла) В каком случае (рис. 1) направление линий индукции магнитного поля прямого проводника с током указано правильно?
6. (2 балла) В каком случае (рис. 2) направление силы Ампера указано
правильно?
7. (2 балла) Прямолинейный проводник длиной 0,6 м расположен в однородном магнитном поле индукцией 1,2 мТл под углом 30° к линиям магнитной индукции поля. Определите силу Ампера, действующую на проводник, если сила тока в нем 5 А.
а) 1,8 мН; б) 2,5 мН; в) 3,6 мН; г) 10 мН.
8. (2 балла) Прежде чем зерно попадает на жернова мельницы, его пропускают между полюсами сильного электромагнита. Для чего это делают?
9. (3 балла) Магнитная стрелка установилась в магнитном поле катушки с током (рис. 3). Определите полюсы источника тока.
10. (3 балла) Рамка поворачивается в магнитном поле постоянного магнита (рис. 4). Определите полюсы источника тока, к которому подключена рамка.
11. (3 балла) Проводник с током расположен в магнитном поле подковообразного магнита (рис. 5). Определите полюсы магнита.
12. (3 балла) Отклонится ли магнитная стрелка от направления «север — юг», если к ней поднести железный брусок? медный брусок?
13. (4 балла) Определите полюсы электромагнита на рис. 6. Как изменится подъемная сила электромагнита, если ползунок реостата передвинуть влево?
14. (4 балла) Определите направление индукционного тока в замкнутом проводящем кольце в момент замыкания ключа (рис. 7).
15. (4 балла) Стальной стержень длиной 40 см и массой 50 г лежит перпендикулярно горизонтальным рельсам (рис. 8). Вдоль рельсов направлено однородное магнитное поле индукцией 0,25 Тл. По стержню пропускают электрический ток силой 2 А. С какой силой стержень давит на рельсы?
Сверьте ваши ответы с приведенными в конце учебника. Отметьте задания, которые вы выполнили правильно, и подсчитайте сумму баллов. Затем эту сумму разделите на три. Полученный результат будет соответствовать уровню ваших учебных достижений.
Тренировочные тестовые задания с компьютерной проверкой вы найдете на электронном образовательном ресурсе «Интерактивное обучение».
От звезд к «летающим» лягушкам, или Зачем нужны сверхмощные магниты
У большинства людей магниты ассоциируются с компасом. Инженеры вспомнят об их применении в электродвигателях и генераторах электрического тока. Но все эти конструкции уже давно известны. Значит, дальнейшее изучение магнитных явлений уже не нужно?
Не спешите с ответом, вспомните, например, о поездах «без трения». Рельсами для таких поездов является магнитное поле. Два магнита, один из которых размещен в опорах, а второй — в самом поезде, обращены друг к другу одноименными полюсами, а значит, отталкиваются. В результате поезд словно «летит» над дорогой. О преимуществах такого технического решения было подробно рассказано на «Энциклопедической странице» учебника для 7 класса. Для движения поездов «без трения» примененяют сверхмощные магниты. А какие магниты называют сверхмощными и где еще их используют?
Для начала сравним индукции магнитных полей, создаваемых различными объектами. В приведенной таблице указано, во сколько раз индукция В магнитного поля данного объекта отличается от индукции В3 магнитного поля Земли. Магнитное поле Земли сравнительно слабое, тем не менее оно может повлиять на точность ряда экспериментов, и ученые научились экранировать его (снижать) в специально оборудованных помещениях — магнитоэкранированных комнатах. Индукция магнитного поля в такой комнате в 10 миллионов раз меньше, чем на поверхности Земли.
Как видим из таблицы, создан магнит, индукция магнитного поля которого больше индукции магнитного поля Земли в 200 000 раз. Для чего нужны такие мощные магниты?
Относительные величины магнитных полей
Прежде всего сверхмощные магниты нужны для удержания пучков заряженных частиц в ускорителях. На рис. 1 изображен один из самых больших в мире ускорителей. По гигантскому кольцу диаметром в несколько километров движутся заряженные частицы. Чтобы частицы «не выплескивались» на стенки, и нужны сверхмощные магниты (рис. 2).
Широко известно применение сверхмощных магнитов в медицине: с их помощью получают изображения внутренних органов человека (рис. 3, 4). В отличие от диагностики с помощью рентгеновских лучей, метод магнитного резонанса значительно безопаснее.
И наконец приведем еще один пример применения сверхмощных магнитов. Инженеры уже заставили «летать» тяжелые поезда, а можно ли научить летать человека или животное?
Оказывается, все дело в материалах. В конструкции поезда для усиления магнитного поля можно использовать ферромагнетики, а вот вещества, из которых состоит организм, таких свойств не имеют. Не вживлять же в тело «железки»!
На пути овладения левитацией помогли сверхмощные магниты. Выяснилось, что при наличии очень сильных магнитных полей даже слабого магнетизма организма достаточно для обеспечения нужной силы отталкивания. Ученым удалось заставить «летать» лягушку, поместив ее во время эксперимента над сверхмощным магнитом (рис. 5). По словам исследователей, после полета испытательница чувствовала себя нормально. Дело за «малым»: нужно увеличить магнитное поле в 10-100 раз — и человек познает пьянящее ощущение полета.
Ориентировочные темы проектов
1. Магнитные материалы и их использование.
2. Магнитная запись информации.
3. Проявление и применение магнитных взаимодействий в природе и технике.
4. Геомагнитное поле Земли.
5. Магнитные бури и их влияние на здоровье человека.
6. Различные электромагнитные устройства.
7. Генераторы электрического тока.
Темы рефератов и сообщений
1. Влияние магнитного поля на качество и скорость прорастания семян.
2. Влияние магнитного поля на жизнь и здоровье человека.
3. Сила Лоренца. Проявления силы Лоренца в природе, применение в технике.
4. История изучения магнетизма.
5. Магнитные моменты атома и его составных частей.
6. Антимагнитные вещества и их применение.
7. Вклад украинских ученых в изучение магнетизма.
8. М. Фарадей и Дж. Максвелл — основатели теории электромагнитного поля.
9. Магнитные бури в атмосфере планет-гигантов Сатурна и Урана.
10. Никола Тесла — человек, опередивший свое время.
11. Как работают ускорители заряженных частиц.
12. Что такое магнитный сепаратор и для чего он предназначен.
13. МГД -генератор: что он генерирует и как работает.
14. Что такое петля гистерезиса и как она связана с намагничиванием и перемагничиванием.
15. Магнитная жидкость: уникальные свойства, примеры применения.
темы экспериментальных исследований
1. Изучение свойств постоянных магнитов.
2. Исследование магнитного поля Земли.
3. Измерение магнитной индукции магнитного поля катушки с током; магнитного поля подковообразного магнита.
4. Изготовление генератора электрического тока.
5. Исследование явления электромагнитной индукции.
6. Изготовление магнитной жидкости, исследование ее свойств.
7. Изготовление электродвигателя.
Это материал учебника Физика 9 класс Барьяхтар, Довгий