Упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц

Опыт Фарадея с постоянным магнитом. Фарадей обнаружил, что еще одним способом индуцирования тока в катушке является вдвигание в катушку постоянного магнита (рис. 110, а). При вдвигании в катушку северного полюса магнита индукция магнитного поля (рис. 110, б), пронизывающего витки катушки, направленная вниз, возрастает, т. е. В₂ > B_v

АФ = -B₂S - (-5_XS) = -(В₂ - BJS < 0, поэтому

£. = _ф' > 0.

Это означает, что индукционный ток I_i протекает в направлении обхода контура витка катушки (вправо по ближайшей к нам стороне).

Индукционный ток возникает и при выдвигании постоянного магнита из катушки.

ВОПРОСЫ

1 • Почему в опытах по изучению магнитных явлений используются катушки, состоящие из большого числа витков?



° ) б)

110

Возникновение индукционного тока в катушке при вдвигании в нее постоянного магнита:

а) опыт Фарадея;

б) его объяснение

2. Объясните причину возникновения индукционного тока в опыте Фарадея с двумя катушками. Как определяется направление тока?
   
3. Почему в наружной катушке возникает индукционный ток при выдвигании внутренней катушки, подключенной к источнику тока? Как определяется его направление?
   
4. Объясните, почему возникает индукционный ток в катушке при вдвигании в нее магнита.
   
5. С одинаковым ли ускорением падает маленький полосовой магнит через вертикально стоящую катушку при замкнутой и разомкнутой обмотке катушки?
   

§ 33. Опыты Генри

Самоиндукция. В опытах Фарадея индукционный ток возникал вследствие изменения магнитного потока в катушке, вызванного изменением индукции внешнего магнитного поля. Американский ученый Джозеф Генри в 1832 г. впервые наблюдал возникновение индукционного тока в катушке, когда магнитный поток в ней увеличивался или уменьшался вследствие изменения тока, протекающего в самой катушке. Это явление получило название самоиндукции.

Самоиндукция — возникновение ЭДС индукции в проводящем контуре при изменении в нем силы тока.

ЭДС индукции возникает при изменении магнитного потока. Если это изменение вызывается собственным током, то говорят об ЭДС самоиндукции.

$_Ы = -Ф' = -(Ы)\

так как Ф = Li, где L — индуктивность катушки. Обычно в опытах с индукционными токами используют соленоиды — катушки с ферромагнитными сердечниками, имеющие большую индуктивность, так как $_sl ~ L. Индуктивность катушки из N витков в Л² раз больше индуктивности одного витка. Это связано с тем, что, во-первых, суммируются индукции от каждого из N витков, а во-вторых, в N раз больше, чем площадь одного витка, оказывается площадь, пронизываемая результирующим магнитным полем. Соответственно собственный магнитный поток, пронизывающий катушку из N витков, оказывается в N² раз больше потока через один виток. Ферромагнитный сердечник, увеличивая в ц раз индукцию внутри катушки, во столько же раз увеличивает ее индуктивность. Учитывая, что индуктивность соленоида постоянна

e_si = ~Li'. I (83)

Ф = BSN = Ы Ф = const

^ил~ Фа- %" °


I = const =

111

Постоянный ток в L—Ruenu

Если через соленоид протекает постоянный ток (/ = const), ЭДС самоиндукции отсутствует $_si = 0 (рис. 111). Так как катушка наряду с индуктивностью обладает электрическим сопротивлением R, то сила тока через нее

Токи замыкания и размыкания. Как следует из формулы (83), ЭДС самоиндукции оказывается тем больше, чем больше скорость изменения силы тока. Особенно быстро сила тока изменяется при замыкании-размыкании цепи.

При замыкании ключа К (рис. 112, а) магнитный поток сквозь соленоид возрастает: АФ > 0. Согласно правилу Ленца, возникает индукцион-

б)



А 112

■ Индукционные токи: а) при замыкании ключа; б) при размыкании ключа

ный ток I_t, создающий магнитное поле индукцией B_t, направленной против индукции внешнего поля В. При протекании индукционного тока положительные заряды оказываются в точке а, а отрицательные — в точке Ь. Полярность ЭДС самоиндукции препятствует нарастанию силы тока через катушку, так как эта ЭДС включена встречно ЭДС внешнего источника. Реально ЭДС самоиндукции тормозит движение электронов в провод-тике, из которого сделана катушка. С течением времени, когда магнит-тый поток перестает изменяться (АФ = 0), ЭДС самоиндукции согласно рормуле (83) становится равной нулю и устанавливается сила тока зна-

юнием 1 = — . к

При размыкании ключа К (рис. 112, б) ток самоиндукции протекает в у же сторону, в которую протекал ток в цепи до размыкания. ЭДС само-сндукции поддерживает электрический ток без изменения. Реально ЭДС амоиндукции ускоряет движение электронов в проводнике, из которого делана катушка. Поэтому в течение некоторого времени релаксации x_L разомкнутой цепи продолжает протекать ток самоиндукции.

Согласно закону Ома для L—R цепи

• = £ei = _Ы1
^lsi R R '

Изменение тока в единицу времени

^r_-m-k- ⁽⁸⁴⁾

Величина (-J) в числителе формулы (84) характеризует полное изме-ение тока при размыкании. Следовательно, промежуток времени x_L = L/R в знаменателе формулы (84) определяет по порядку величины вре-я протекания тока размыкания, или время релаксации L—R цепи.

Время релаксации является характеристикой инерционных свойств юбой электрической цепи. В случае L—R цепи оно определяет как вре-я протекания тока размыкания, так и время нарастания тока замыка-ая.

Геометрически производная i' в формуле (84) характеризуется танген-(М угла наклона касательной к кривой i(t). При t = 0 касательная к гранку i(t) (рис. 112, б) пересекает ось t в точке т_ь. Так можно оценить гра-/гчески время релаксации.

Если в цепь включен соленоид большой индуктивности ЭДС самоиндук-ш может значительно превысить ЭДС источника тока. Появление зна-стельной разности потенциалов в месте размыкания цепи часто приво-

лит к электрическому пробою воздуха, т. е. возникновению электрической искры.

Электрическая лампа, соединенная последовательно с соленоидом, загорается с запаздыванием при включении тока и гаснет не мгновенно после его выключения. Правда, визуально заметить запаздывание погасания лампы не удается, так как энергия магнитного поля соленоида расходуется на образование искры (даже возникновение дуги). Процесс самоиндукции задерживает увеличение и уменьшение тока в электрических схемах и линиях передачи сигналов, тем самым приводя к искажению передаваемой информации.

Явление самоиндукции подобно инертности в механике: тело нельзя ускорить или затормозить мгновенно, как бы ни велика была ускоряющая или тормозящая сила, действующая на тело.

ВОПРОСЫ

1. Какое физическое явление называется самоиндукцией? Чему равна ЭДС самоиндукции?
   
2. Как зависит индуктивность катушки от числа витков? Почему?
   
3. Почему при замыкании цепи сила тока в ней не нарастает мгновенно?
   
4. Почему возникает ток размыкания? В каком направлении он протекает?
   
5. Как время релаксации характеризует индукционные токи при замыкании и размыкании цепи?
   

§ 34. Использование электромагнитной индукции

Трансформатор. Явление электромагнитной индукции широко используется в многочисленных технических устройствах и приборах. Наиболее распространенным из них является трансформатор.

Трансформатор — устройство, применяемое для повышения или понижения переменного напряжения.

Принципиальное устройство трансформатора представлено на рисунке 113. В простейшем варианте трансформатор состоит из магнито-мяг-кого стального сердечника, на который надеты две катушки с проволочными обмотками.

Первичная обмотка (число витков N_t) — подключается к источнику переменного напряжения.

Вторичная обмотка (число витков N₂) — подключается к нагрузке (сопротивлению й_н).

Явление электромагнитной индукции следующим образом используется при работе трансформатора. Переменный ток i_v протекающий в первичной обмотке, создает в сердечнике переменное магнитное поле B(t), концентрирующееся внутри сердечника. Поэтому магнитный поток Ф_в во вторичной обмотке оказывается таким же, как и в первичной. В каждом витке этих обмоток возникает ЭДС индукции

ft = -ф;-

Результирующие ЭДС индукции в первичной и £₂ вторичной обмотках пропорциональны числу витков в них (так как ЭДС отдельных витков направлены согласованно и складываются):

-ЛФ;, £₂ = Отношение ЭДС индукции в обмотках

Если сопротивлением обмоток можно пренебречь, то ЭДС индукции в них равны напряжению на их зажимах: £_х ~ С7_Х; £₂ ~ U₂- Изменение напряжения трансформатором характеризует коэффициент трансформации.

Коэффициент трансформации — величина, равная отношению напряжений в первичной и вторичной обмотках трансформатора:

Коэффициент трансформации определяется отношением числа витков в первичной и вторичной обмотках.

Повышающий трансформатор — трансформатор, увеличивающий напряжение (U₂ > и_г). У повышающего трансформатора число витков iV₂

во вторичной обмотке должно быть больше числа витков iVj в первичной обмотке, т. е. k < 1.

Понижающий трансформатор — трансформатор, уменьшающий напряжение (U₂ < Uj). У понижающего трансформатора число витков во вторичной обмотке должно быть меньше числа витков в первичной обмотке, т. е. k > 1.

Переменный ток в обмотках вызывает индукционные токи в стальном сердечнике трансформатора.

Для уменьшения потерь энергии, вызванных вихревыми индукционными токами в сердечнике трансформатора (токами Фуко), сердечник ламинируют, т. е. изготавливают из тонких, изолированных друг от друга пластин (рис. 114). Изолирующее покрытие пластин ограничивает индукционные токи в пределах каждого слоя, что заметно снижает ЭДС индукции и силу индукционных токов.

В небольших трансформаторах в качестве материала сердечника иногда используются ферриты — ферромагнетики, имеющие большое сопротивление по сравнению с сопротивлением железа. Потери мощности в трансформаторах составляют 2—3% от мощности источника в первичной обмотке. Поэтому мощность тока во вторичной обмотке можно считать равной мощности тока в первичной обмотке:

hU_x = I₂U₂. (87)

Следовательно,

h и₂ ^к-

При повышении напряжения с помощью трансформатора (U₂ > С7_Х) во столько же раз уменьшается сила тока (1₂ < 1_Х) и наоборот.

Электромагнитная индукция в современной технике. Приведем характерные примеры использования электромагнитной индукции в современной технике.

Для обнаружения металлических предметов применяются специальные детекторы (рис. 115). Например, в аэропортах детектор металла фиксирует поля индукционных токов в металлических предметах.

Магнитное поле В₀, создаваемое током /₀ передающей катушки, индуцирует в металлических предметах токи, препятствующие (по правилу Ленца) изменению магнитного потока. В свою очередь, магнитное поле В' этих токов индуцирует в катушке-приемнике ток /', запускающий сигнал тревоги.

В поезде на магнитной подушке сверхпроводящие катушки с током, размещенные на дне вагона, индуцируют ток в алюминиевых катушках на полотне дороги (рис. I на цветной вклейке, с. 256).

Отталкивание сверхпроводящих катушек и катушек на полотне дороги приподнимает вагон над землей. Движение поезда вызывается взаимодействием сверхпроводящих катушек, расположенных вдоль стенок вагонов, и катушек внутри ограничительных бортиков полотна дороги.

В сверхпроводнике индукционный ток существует достаточно долго, поэтому в результате отталкивания токов в сверхпроводнике и в постоянном магните высокотемпературный проводник зависает над магнитом (рис. II на цветной вклейке, с. 256).

Индукционные токи, возникающие в проводниках (токи Фуко), используются для их нагревания. На этом принципе основано устройство электропечей для плавки металлов. Тот же эффект используется в бытовых микроволновых СВЧ-печах.

Явление электромагнитной индукции позволяет считывать видео- и аудиоинформацию с магнитных лент. Магнитная лента — тонкая пластмассовая лента, покрытая слоем ферромагнитного порошка. При записи информации на магнитную ленту сигнал подается на записывающую головку (ферромагнетик С-образной формы с зазором) (рис. 116, а). Магнитное поле, возникающее в зазоре, ориентирует беспорядочно расположенные домены на движущейся магнитной ленте. При воспроизведении записи остаточная индукция доменов, движущихся вместе с лентой, создает магнитное поле в зазоре головки воспроизведения (рис. 116, б).

Это поле в результате электромагнитной индукции вызывает ЭДС индукции в выходной обмотке головки, подобную записанному сигналу.

а) б)

▲ 116

Запись и воспроизведение информации с помощью магнитной ленты: о) головка записи; б) головка воспроизведения

ВОПРОСЫ

1. Какое электрическое устройство называют трансформатором?
   
2. Какая обмотка трансформатора является первичной и какая вторичной?
   
3. Дайте определение коэффициента трансформации. Какой трансформатор называется повышающим и какой понижающим?
   
4. Приведите примеры использования электромагнитной индукции в современной технике.
   
5. Как производится запись и воспроизведение информации с помощью магнитной ленты?