Электромагнитное поле – это особый вид материи, посредством которого осуществляется электромагнитное взаимодействие.

БИЛЕТ 1 9

Явление самоиндукции. Индуктивность. Энергия магнитного поля

 

План

1. Индуктивность

2. Самоиндукция

3. Энергия магнитного поля тока

4. Электромагнитное поле

 

1. Индуктивность.

Электрический ток, проходящий по какому-либо проводнику, например, по обмотке катушки, создает вокруг него магнитное поле, которое охватывает все окружающее пространство, в том числе и пространство внутри катушки.

Магнитный поток внутри катушки пропорционален силе тока в обмотке: , где

L – коэффициент пропорциональности, зависящий:

• от размеров катушки,
• густоты обмотки, т.е. числа витков, приходящихся на единицу длины;
• от магнитных свойств сердечника.

Эта величина называется индуктивностью.

Индуктивность  есть отношение магнитного потока внутри катушки к силе тока в обмотке. При отсутствии стальных сердечников индуктивность не зависит от силы тока.

.

Индуктивность проводника равна 1 Гн, если в нем при изменении силы тока на 1 А за 1 с возникает ЭДС 1 В.

1. Самоиндукция.

 Рассмотрим случай, когда сила тока в обмотке изменяется . Тогда соответственно меняется и магнитный поток внутри катушки, а согласно Максвеллу переменное поле индуцирует в обмотке вихревое электрическое поле.

Иными словами, изменяющийся в обмотке ток сам на себя наводит ЭДС индукции, которую в этом случае называют ЭДС самоиндукции.

Самоиндукция - возникновение ЭДС индукции в проводящем контуре при изменении в нем силы тока. Найдем выражение для ЭДС самоиндукции:

Этот вывод справедлив, когда .

Применим правило Ленца для определения знака .

Вывод. При возрастании тока должна препятствовать увеличению силы тока, а для этого она должна вычитаться из внешнего напряжения (т.е. иметь противоположный знак).

При убывании же тока в цепи ЭДС самоиндукции должна препятствовать уменьшению силы тока, т.е. должна складываться с внешним напряжением (знаки и U_внеш  совпадают).

Обнаружить на опыте явление существование самоиндукции нетрудно. Составим цепь по рисунку 1.

При замыкании ключа вторая лампа (Л₂) вспыхивает прак­тически сразу, а вторая — с заметным запозданием. ЭДС са­моиндукции в цепи этой лампы велика, и сила тока не сразу достигает своего максимального значения. (По правилу Ленца в момент нарастания тока напряженность вихревого электрического поля направлена против тока. Следовательно, в этот момент вихревое поле препятствует нарастанию тока.)

 

1. Энергия магнитного поля тока.

В опыте с лампочкой при размыкании ключа она на мгновение вспыхивает ярким светом (по рисунку 4). Откуда же берется энергия, поглощаемая лампочкой в момент ее вспышки, и превращается в ней в тепло и свет? Ведь вспышка происходит тогда, когда ключ уже разомкнут. Следовательно, энергия не может браться из аккумулятора (источника тока). Вспышка в лампочке происходит при исчезновении тока в катушке, т.е. при исчезновении магнитного поля этой катушки. Мы приходит, таким образом, к заключению, что энергия, поглощаемая лампочкой в момент размыкания ключа, была запасена ранее в виде энергии магнитного поля катушки.

Таким образом, описанное выше явление самоиндукции наглядно показывает, что магнитное поле обладает запасом энергии. Эта энергия затрачивается на создание магнитного поля и ее можно получить обратно при исчезновении поля.

Расчет энергии магнитного поля.

 Итак, создание электрического тока в цепи ведет к образованию магнитного поля. Для создания электрического тока, а, следовательно, его магнитного поля, необходимо совершить работу против сил вихревого электрического поля. Эта работа (в соответствии с законом сохранения энергии) равна энергии электрического тока, или энергии магнитного поля тока.

Сравним процесс установления в цепи электрического тока величиной I и процесс приобретения телом некоторой скорости υ (найдем аналогии).

 

1. Автомобиль трогается с места, постепенно набирая скорость, через некоторое время приобретает скорость υ	1. При замыкании цепи с катушкой ток, постепенно нарастая через некоторое время приобретает значение I
2. Для того, чтобы автомобиль разогнать до некоторой скорости, необходимо совершить работу	2. Для того, чтобы ток в цепи с индуктивностью при ее замыкании достиг некоторого значения, необходимо совершить работу
3. Нарастание скорости υ тем медленнее, чем больше (при прочих равных условиях) масса m	3. Нарастание тока I тем медленнее, чем больше (при прочих равных условиях) индуктивность L

 

Частичное сходство между процессом установления тока в катушке и разгоном автомобиля позволяет предположить, что величины работы по разгону автомобиля и по установлению тока выражаются аналогичными соотношениями.

Механическая работа по разгону автомобиля равна .

Эту величину можно взять в качестве модели для установления силы тока в катушке индуктивности. Соотношение между I и υ, L и m позволяют преобразовать

 в .

Следовательно, энергия магнитного поля тока определяется выражением:

,

где индуктивность катушки; сила тока в контуре.

 

Электромагнитное поле

  В основе всех физических явлений лежит взаимодействие между телами или частицами, участвующими в этих явлениях. Земля движется вокруг Солнца из-за того, что взаимодействует с ним. Этим взаимодействием является притяжение Земли и Солнца по закону всемирного тяготения.

Притяжение или отталкивание двух электрических зарядов – это их электрическое взаимодействие. Отталкивание или притяжение магнитных полюсов или токов – это магнитное взаимодействие.

Согласно представлениям современной физики всякое взаимодействие передается через некоторое поле. Земля взаимодействует с Солнцем через гравитационное поле. Электрические заряды взаимодействуют через электрическое поле, которое они создают, магниты и электрические токи – через магнитное поле.

Если всякое взаимодействие передается через поле, то возникает вопрос, через какое же поле взаимодействуют рука и камень, пружина и связывающая ее веревка, подошва обуви и Земля и т.д. т.е., чем объясняется существование обычных сил, возникающих при взаимодействии предметов? Оказывается, это электромагнитное взаимодействие.

Атомы соприкасающихся тел сближаются на расстояние порядка размеров самих атомов. Быстро вращающиеся вокруг ядер отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные ядра создают электромагнитное поле, которое и осуществляет взаимодействие при соприкосновении.

Электромагнитное поле. В 1864 году во «Введении» к своей основополагающей работе Максвелл написал: «Та теория, которую я предлагаю, может быть названа теорией электромагнитного поля …»

Электромагнитное поле – это особый вид материи, посредством которого осуществляется электромагнитное взаимодействие.

Изучая свойства электромагнитного поля, максвелл задался вопросом: если переменное магнитное поле порождает электрическое поле, то не существует ли в природе обратного? Не порождает ли переменное электрическое поле в свою очередь магнитное? Анализируя имеющиеся экспериментальные данные, Максвелл предположил, что ответ на этот вопрос должен быть положительным.

Между изменяющимися во времени электрическим и магнитным полями существует взаимосвязь. Переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое (явление электромагнитной индукции), а переменное электрическое поле порождает вихревое магнитное (явление магнитоэлектрической индукции). В результате в пространстве. В результате возникает единое электромагнитное поле.

Максвелл переложил на язык уравнений все известные факты и положения, касающиеся электрических и магнитных явлений. Эту систему уравнений для электрического и магнитного полей называют «уравнениями Максвелла». Они играют в теории электромагнетизма такую же ключевую роль, как законы Ньютона – в механике.

Опишем эти уравнения в словесной форме, сведя их в таблицу:

Поле	Чем создается
Электрическое	Покоящимися и движущимися электрическими зарядами	Переменным магнитным полем
Магнитное	Движущимися электрическими зарядами (электрическими токами)	Переменным электрическим полем

Из этой таблицы можно сделать следующие выводы:

1. Электрическое и магнитное поля преобразуются друг в друга при переходе из одной инерциальной системы отсчета в другую. Можно сказать, что разделение поля на электрическое и магнитное относительно и зависит от системы отсчета.

2. Выбор системы отсчета – субъективный акт, от которого не зависит само существование поля.

 

Электромагнитное поле – есть та субъективная реальность, которая существует независимо от того, ставим ли мы опыт или нет, и если ставим, то в какой системе отсчета. Поэтому электромагнитное поле нельзя рассматривать как «совокупность» электрического и магнитного полей. Электрическое и магнитное поля – проявление единого целого (электромагнитного поля) в разных условиях.

 

 

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: