Wenn in der Spule ein induzierter Strom auftritt. Das Phänomen der elektromagnetischen Induktion
Vorkommen in EMF-Leiter Induktion
Wenn Sie es in einen Leiter legen und so bewegen, dass es sich während seiner Bewegung kreuzt Stromleitungen Feld, dann wird es im Leiter ein Phänomen geben, das als induzierte EMK bezeichnet wird.
Eine induzierte EMK tritt in einem Leiter auch dann auf, wenn der Leiter selbst stationär bleibt und sich das Magnetfeld bewegt und den Leiter mit seinen Kraftlinien kreuzt.
Wenn der Leiter, in dem die induzierte EMK induziert wird, an einen externen Stromkreis angeschlossen ist, entsteht unter dem Einfluss dieser EMK ein Strom namens Induktionsstrom.
Das Phänomen der EMF-Induktion in einem Leiter, wenn er von Stromleitungen gekreuzt wird Magnetfeld angerufen Elektromagnetische Induktion.
Elektromagnetische Induktion ist ein umgekehrter Prozess, also die Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie.
Das Phänomen der elektromagnetischen Induktion hat breite Anwendung gefunden. Die Konstruktion verschiedener elektrischer Maschinen basiert auf ihrer Verwendung.
Stärke und Richtung der induzierten EMK
Betrachten wir nun die Größe und Richtung der im Leiter induzierten EMF.
Die Größe der induzierten EMK hängt von der Anzahl der Feldlinien ab, die den Leiter pro Zeiteinheit kreuzen, d. h. von der Bewegungsgeschwindigkeit des Leiters im Feld.
Die Größe der induzierten EMK hängt direkt von der Bewegungsgeschwindigkeit des Leiters im Magnetfeld ab.
Die Größe der induzierten EMK hängt auch von der Länge des Teils des Leiters ab, der von den Feldlinien geschnitten wird. Wie Großer Teil Je stärker der Leiter von den Feldlinien durchquert wird, desto größer ist die EMK, die im Leiter induziert wird. Und schließlich gilt: Je stärker das Magnetfeld, d. h. je größer seine Induktion, desto größer ist die EMK, die im Leiter auftritt, der dieses Feld durchquert.
Also, Die Größe der induzierten EMK, die in einem Leiter auftritt, wenn er sich in einem Magnetfeld bewegt, ist direkt proportional zur Induktion des Magnetfelds, der Länge des Leiters und der Geschwindigkeit seiner Bewegung.
Diese Abhängigkeit wird durch die Formel E = Blv ausgedrückt,
wobei E die induzierte EMK ist; B – magnetische Induktion; I ist die Länge des Leiters; v ist die Bewegungsgeschwindigkeit des Leiters.
Daran sollte man sich fest erinnern In einem Leiter, der sich in einem Magnetfeld bewegt, entsteht eine induzierte EMK nur dann, wenn dieser Leiter von magnetischen Feldlinien gekreuzt wird. Wenn sich der Leiter entlang der Feldlinien bewegt, also nicht kreuzt, sondern an ihnen entlang zu gleiten scheint, dann wird in ihm keine EMF induziert. Daher gilt die obige Formel nur, wenn sich der Leiter senkrecht zu den Magnetfeldlinien bewegt.
Die Richtung der induzierten EMF (sowie des Stroms im Leiter) hängt davon ab, in welche Richtung sich der Leiter bewegt. Um die Richtung der induzierten EMK zu bestimmen, gibt es eine Rechte-Hand-Regel.
Wenn Sie die Handfläche Ihrer rechten Hand so halten, dass die magnetischen Feldlinien in sie eindringen und sich biegen Daumen würde die Bewegungsrichtung des Leiters anzeigen, dann zeigen die ausgestreckten vier Finger die Wirkungsrichtung der induzierten EMK und die Richtung des Stroms im Leiter an.
Regel der rechten Hand
Induktions-EMK in einer Spule
Wir haben bereits gesagt, dass es zur Erzeugung einer induktiven EMK in einem Leiter notwendig ist, entweder den Leiter selbst oder das Magnetfeld in einem Magnetfeld zu bewegen. In beiden Fällen muss der Leiter von magnetischen Feldlinien durchquert werden, sonst wird die EMF nicht induziert. Die induzierte EMK und damit der induzierte Strom kann nicht nur in einem geraden Leiter, sondern auch in einem zu einer Spule verdrillten Leiter erhalten werden.
Bei der Bewegung im Inneren eines Permanentmagneten wird dadurch eine EMK induziert magnetischer Fluss Der Magnet kreuzt die Windungen der Spule, also genau so, wie es war, als sich ein gerader Leiter im Feld des Magneten bewegte.
Wenn der Magnet langsam in die Spule abgesenkt wird, ist die darin entstehende EMF so gering, dass die Nadel des Geräts möglicherweise nicht einmal abweicht. Wird der Magnet hingegen schnell in die Spule eingeführt, ist die Auslenkung der Nadel groß. Das bedeutet, dass die Größe der induzierten EMK und damit die Stromstärke in der Spule von der Bewegungsgeschwindigkeit des Magneten abhängt, d. h. davon, wie schnell die Feldlinien die Windungen der Spule schneiden. Wenn Sie nun abwechselnd einen starken und dann einen schwachen Magneten mit gleicher Geschwindigkeit in die Spule einführen, werden Sie feststellen, dass bei einem starken Magneten die Nadel des Geräts in einem größeren Winkel ausweicht. Bedeutet, Die Größe der induzierten EMK und damit die Stromstärke in der Spule hängen von der Größe des magnetischen Flusses des Magneten ab.
Und schließlich, wenn man den gleichen Magneten mit der gleichen Geschwindigkeit zuerst in eine Spule einführt eine große Anzahl Umdrehungen, und dann mit deutlich weniger, dann weicht der Instrumentenpfeil im ersten Fall um einen größeren Winkel ab als im zweiten. Das bedeutet, dass die Größe der induzierten EMK und damit die Stromstärke in der Spule von der Anzahl ihrer Windungen abhängt. Die gleichen Ergebnisse können erzielt werden, wenn anstelle eines Permanentmagneten ein Elektromagnet verwendet wird.
Die Richtung der induzierten EMK in der Spule hängt von der Bewegungsrichtung des Magneten ab. Das von E. H. Lenz aufgestellte Gesetz besagt, wie die Richtung der induzierten EMK bestimmt werden kann.
Lenzsches Gesetz für elektromagnetische Induktion
Jede Änderung des Magnetflusses innerhalb der Spule geht mit dem Auftreten einer induzierten EMK einher, und je schneller sich der durch die Spule fließende Magnetfluss ändert, desto größer wird die EMK darin induziert.
Wenn die Spule, in der die induzierte EMK erzeugt wird, an einen externen Stromkreis angeschlossen ist, fließt ein induzierter Strom durch ihre Windungen und erzeugt ein Magnetfeld um den Leiter, wodurch sich die Spule in einen Magneten verwandelt. Es stellt sich heraus, dass ein sich änderndes äußeres Magnetfeld einen induzierten Strom in der Spule verursacht, der wiederum ein eigenes Magnetfeld um die Spule erzeugt – das Stromfeld.
E. H. Lenz untersuchte dieses Phänomen und stellte ein Gesetz auf, das die Richtung des induzierten Stroms in der Spule und damit die Richtung der induzierten EMK bestimmt. Die induzierte EMK, die in einer Spule auftritt, wenn sich der magnetische Fluss in ihr ändert, erzeugt in der Spule einen Strom in einer solchen Richtung, dass der durch diesen Strom erzeugte magnetische Fluss der Spule eine Änderung des fremden magnetischen Flusses verhindert.
Das Lenzsche Gesetz gilt für alle Fälle der Strominduktion in Leitern, unabhängig von der Form der Leiter und der Art und Weise, wie eine Änderung des äußeren Magnetfeldes erreicht wird.
Wenn sich ein Permanentmagnet relativ zu einer Drahtspule bewegt, die an die Anschlüsse eines Galvanometers angeschlossen ist, oder wenn sich eine Spule relativ zu einem Magneten bewegt, entsteht ein induzierter Strom.
Induktionsströme in massiven Leitern
Ein sich ändernder magnetischer Fluss kann eine EMK nicht nur in den Windungen der Spule, sondern auch in massiven Metallleitern induzieren. Der magnetische Fluss dringt in die Dicke eines massiven Leiters ein und induziert darin eine EMK, wodurch induzierte Ströme entstehen. Diese sogenannten Einschlüsse breiten sich entlang eines massiven Leiters aus und schließen diesen kurz.
Die Kerne von Transformatoren, Magnetkreisen verschiedener elektrischer Maschinen und Geräte sind genau die massiven Leiter, die durch die in ihnen entstehenden Induktionsströme erhitzt werden. Dieses Phänomen ist unerwünscht. Um die Größe der induzierten Ströme zu verringern, werden Teile elektrischer Maschinen und Transformatorkerne daher nicht massiv hergestellt, sondern bestehen aus dünnen Blechen, die durch Papier oder eine Schicht Isolierlack voneinander isoliert sind. Dadurch wird der Ausbreitungsweg von Wirbelströmen durch die Masse des Leiters blockiert.
Aber manchmal in der Praxis Wirbelströme Sie werden auch als Nutzströme genutzt. Auf der Nutzung dieser Ströme basiert beispielsweise die Arbeit sogenannter magnetischer Dämpfer beweglicher Teile elektrischer Messgeräte.
INDUKTIONSSTROM ist ein elektrischer Strom, der entsteht, wenn sich der magnetische Induktionsfluss in einem geschlossenen Stromkreis ändert. Dieses Phänomen wird elektromagnetische Induktion genannt. Möchten Sie wissen, in welche Richtung der Induktionsstrom verläuft? Rosinductor ist ein Handelsinformationsportal, auf dem Sie aktuelle Informationen finden.
Die Regel, die die Richtung des Induktionsstroms bestimmt, lautet wie folgt: „Der Induktionsstrom ist so gerichtet, dass er mit seinem Magnetfeld der Änderung des magnetischen Flusses, die ihn verursacht, entgegenwirkt.“ Die rechte Hand wird mit der Handfläche in Richtung der magnetischen Kraftlinien gedreht, der Daumen zeigt auf die Bewegung des Leiters und die vier Finger zeigen an, in welche Richtung der induzierte Strom fließt. Wenn wir einen Leiter bewegen, bewegen wir mit dem Leiter alle darin enthaltenen Elektronen, und wenn wir uns in einem Magnetfeld bewegen elektrische Aufladungen Auf sie wirkt nach der Linken-Hand-Regel eine Kraft.
Die Richtung des Induktionsstroms sowie seine Größe werden durch die Lenz-Regel bestimmt, die besagt, dass die Richtung des Induktionsstroms immer die Wirkung des Faktors abschwächt, der den Strom angeregt hat. Wenn sich der magnetische Feldfluss durch den Stromkreis ändert, ist die Richtung des induzierten Stroms so, dass er diese Änderungen kompensiert. Wenn in einem anderen Stromkreis ein Magnetfeld erzeugt wird, das einen Strom anregt, hängt die Richtung des Induktionsstroms von der Art der Änderungen ab: Wenn der externe Strom zunimmt, hat der Induktionsstrom die entgegengesetzte Richtung, wenn er abnimmt in die gleiche Richtung gerichtet und tendiert dazu, den Durchfluss zu erhöhen.
Eine Induktionsstromspule hat zwei Pole (Nord und Süd), die abhängig von der Stromrichtung bestimmt werden: Am Nordpol gehen die Induktionslinien aus. Wenn sich ein Magnet einer Spule nähert, entsteht ein Strom in einer Richtung, die den Magneten abstößt. Bei entferntem Magneten hat der Strom in der Spule eine Richtung, die die Anziehungskraft des Magneten begünstigt.
Induktionsstrom entsteht in einem geschlossenen Stromkreis, der sich in einem magnetischen Wechselfeld befindet. Der Stromkreis kann entweder stationär (in einem sich ändernden magnetischen Induktionsfluss angeordnet) oder beweglich (die Bewegung des Stromkreises verursacht eine Änderung des magnetischen Flusses) sein. Das Auftreten eines Induktionsstroms verursacht ein elektrisches Wirbelfeld, das unter dem Einfluss eines Magnetfelds angeregt wird.
Wie man einen kurzzeitig induzierten Strom erzeugt, können Sie in einem Schulphysikkurs lernen.
Dafür gibt es mehrere Möglichkeiten:
- - Bewegung eines Permanentmagneten oder Elektromagneten relativ zur Spule,
- - Bewegung des Kerns relativ zum in die Spule eingesetzten Elektromagneten,
- - Schließen und Öffnen des Stromkreises,
- - Regulierung des Stroms im Stromkreis.
Das Grundgesetz der Elektrodynamik (Faradaysches Gesetz) besagt, dass die Stärke des induzierten Stroms für jeden Stromkreis gleich der Änderungsrate des magnetischen Flusses ist, der durch den Stromkreis fließt, mit einem Minuszeichen. Die Stärke des Induktionsstroms wird als elektromotorische Kraft bezeichnet.
Erinnern wir uns an einige einfache Experimente, bei denen die Entstehung von elektrischem Strom als Folge elektromagnetischer Induktion beobachtet wird.
Eines dieser Experimente ist in Abb. dargestellt. 253. Wenn eine Spule bestehend aus große Zahl Drahtwindungen schnell auf einen Magneten legen oder abziehen (Abb. 253, a), dann entsteht darin ein kurzzeitiger Induktionsstrom, der am Abfall der Nadel des an die Enden angeschlossenen Galvanometers erkennbar ist der Spule. Das Gleiche geschieht, wenn der Magnet schnell in die Spule hineingeschoben oder aus dieser herausgezogen wird (Abb. 253, b). Offensichtlich ist nur die relative Bewegung der Spule und des Magnetfelds von Bedeutung. Der Strom stoppt, wenn diese Bewegung stoppt.
Reis. 253. Durch die Relativbewegung von Spule und Magnet entsteht in der Spule ein induzierter Strom: a) die Spule wird auf den Magneten gelegt; b) Der Magnet bewegt sich in die Spule hinein
Betrachten wir nun einige zusätzliche Experimente, die es uns ermöglichen, die Bedingungen für das Auftreten eines Induktionsstroms allgemeiner zu formulieren.
Die erste Versuchsreihe: Änderung der magnetischen Induktion des Feldes, in dem sich der Induktionskreis (Spule oder Rahmen) befindet.
Die Spule wird in einem Magnetfeld platziert, beispielsweise in einem Elektromagneten (Abb. 254, a) oder zwischen den Polen eines Elektromagneten (Abb. 254, b). Installieren wir die Spule so, dass die Ebene ihrer Windungen senkrecht zu den Magnetfeldlinien des Magneten oder Elektromagneten steht. Wir ändern die magnetische Induktion des Feldes, indem wir schnell die Stromstärke in der Wicklung ändern (mit einem Rheostat) oder einfach den Strom aus- und einschalten (mit einem Schlüssel). Bei jeder Änderung des Magnetfelds gibt die Galvanometernadel einen scharfen Rückstoß ab; Dies weist auf das Auftreten eines elektrischen Induktionsstroms im Spulenkreis hin. Wenn das Magnetfeld stärker wird (oder erscheint), entsteht ein Strom in eine Richtung, und wenn es schwächer wird (oder verschwindet), entsteht ein Strom in die entgegengesetzte Richtung. Führen wir nun das gleiche Experiment durch und installieren wir die Spule so, dass die Ebene ihrer Windungen parallel zur Richtung der Magnetfeldlinien verläuft (Abb. 255). Das Experiment wird zu einem negativen Ergebnis führen: Egal wie wir die magnetische Induktion des Feldes ändern, wir werden keinen Induktionsstrom im Spulenkreis feststellen.
Reis. 254. Ein induzierter Strom entsteht in einer Spule, wenn sich die magnetische Induktion ändert, wenn die Ebene ihrer Windungen senkrecht zu den Magnetfeldlinien steht: a) die Spule im Magnetfeld; b) eine Spule im Feld eines Elektromagneten. Die magnetische Induktion ändert sich, wenn der Schalter geschlossen und geöffnet wird oder wenn sich der Strom im Stromkreis ändert
Reis. 255. Induktionsstrom tritt nicht auf, wenn die Ebene der Spulenwindungen parallel zu den Magnetfeldlinien verläuft
Die zweite Versuchsreihe: Veränderung der Position einer Spule, die sich in einem konstanten Magnetfeld befindet.
Platzieren wir die Spule im Inneren des Magneten, wo das Magnetfeld gleichmäßig ist, und drehen wir sie schnell um einen bestimmten Winkel um eine Achse senkrecht zur Feldrichtung (Abb. 256). Bei jeder solchen Drehung erfasst das mit der Spule verbundene Galvanometer einen induzierten Strom, dessen Richtung von der Ausgangsposition der Spule und von der Drehrichtung abhängt. Wenn sich die Spule vollständig um 360° dreht, ändert sich die Richtung des Induktionsstroms zweimal: Jedes Mal, wenn die Spule eine Position passiert, in der ihre Ebene senkrecht zur Richtung des Magnetfelds steht. Wenn Sie die Spule sehr schnell drehen, ändert der induzierte Strom natürlich seine Richtung so oft, dass die Nadel eines herkömmlichen Galvanometers keine Zeit hat, diesen Änderungen zu folgen, und ein anderes, „gehorsameres“ Gerät benötigt wird.
Reis. 256. Wenn sich eine Spule in einem Magnetfeld dreht, entsteht in ihr ein induzierter Strom
Wird die Spule jedoch so bewegt, dass sie sich nicht relativ zur Feldrichtung dreht, sondern sich nur parallel zu sich selbst in eine beliebige Richtung entlang des Feldes, quer dazu oder in einem beliebigen Winkel zur Feldrichtung bewegt, dann es entsteht kein induzierter Strom. Lassen Sie uns noch einmal betonen: Der Versuch, die Spule zu bewegen, wird in einem gleichmäßigen Feld durchgeführt (zum Beispiel in einem langen Magneten oder im Erdmagnetfeld). Wenn das Feld ungleichmäßig ist (z. B. in der Nähe des Pols eines Magneten oder Elektromagneten), kann jede Bewegung der Spule mit dem Auftreten eines Induktionsstroms einhergehen, mit Ausnahme eines Falles: Der Induktionsstrom ist nicht vorhanden entstehen, wenn sich die Spule so bewegt, dass ihre Ebene immer parallel zur Feldrichtung bleibt (also keine magnetischen Feldlinien durch die Spule verlaufen).
Die dritte Versuchsreihe: Veränderung der Fläche eines Stromkreises, der sich in einem konstanten Magnetfeld befindet.
Ein ähnlicher Versuch kann nach folgendem Schema durchgeführt werden (Abb. 257). In einem Magnetfeld platzieren wir beispielsweise zwischen den Polen eines großen Elektromagneten einen Stromkreis aus flexiblem Draht. Die Kontur soll zunächst die Form eines Kreises haben (Abb. 257, a). Mit einer schnellen Handbewegung können Sie die Kontur zu einer schmalen Schlaufe zusammenziehen und so die abgedeckte Fläche deutlich verkleinern (Abb. 257, b). Das Galvanometer zeigt das Auftreten eines Induktionsstroms an.
Reis. 257. Ein induzierter Strom entsteht in einer Spule, wenn sich der Bereich ihres Stromkreises, der sich in einem konstanten Magnetfeld befindet und senkrecht zu den Magnetfeldlinien liegt, ändert (das Magnetfeld ist vom Beobachter weg gerichtet).
Noch bequemer ist es, ein Experiment mit Änderung der Konturfläche nach dem in Abb. gezeigten Schema durchzuführen. 258. In einem Magnetfeld gibt es einen Stromkreis, dessen eine Seite (in Abb. 258) beweglich gemacht ist. Bei jeder Bewegung erkennt das Galvanometer das Auftreten eines Induktionsstroms im Stromkreis. In diesem Fall hat der Induktionsstrom bei einer Bewegung nach links (zunehmender Bereich) eine Richtung und bei einer Bewegung nach rechts (verkleinernder Bereich) die entgegengesetzte Richtung. Aber selbst in diesem Fall erzeugt die Änderung der Fläche des Stromkreises keinen induzierten Strom, wenn die Ebene des Stromkreises parallel zur Richtung des Magnetfelds verläuft.
Reis. 258. Wenn sich der Stab bewegt und sich dadurch die im Magnetfeld befindliche Fläche des Stromkreises ändert, entsteht im Stromkreis ein Strom.
Durch den Vergleich aller beschriebenen Experimente können wir die Bedingungen für das Auftreten eines induzierten Stroms in allgemeiner Form formulieren. In allen betrachteten Fällen hatten wir einen Stromkreis in einem Magnetfeld, und die Ebene des Stromkreises konnte mit der Richtung der magnetischen Induktion den einen oder anderen Winkel bilden. Bezeichnen wir die durch die Kontur begrenzte Fläche mit , die magnetische Induktion des Feldes mit und den Winkel zwischen der Richtung der magnetischen Induktion und der Ebene der Kontur mit . In diesem Fall ist die Komponente der magnetischen Induktion senkrecht zur Ebene des Stromkreises gleich groß (Abb. 259).
Reis. 259. Zerlegung der magnetischen Induktion in eine Komponente senkrecht zur Ebene der Induktionsschleife und eine Komponente parallel zu dieser Ebene
Wir nennen das Produkt den magnetischen Induktionsfluss oder kurz den magnetischen Fluss durch den Stromkreis. Diese Größe bezeichnen wir mit dem Buchstaben . Auf diese Weise,
. (138.1)
In allen betrachteten Fällen haben wir ausnahmslos den magnetischen Fluss auf die eine oder andere Weise verändert. In einigen Fällen haben wir dies erreicht, indem wir die magnetische Induktion verändert haben (Abb. 254); in anderen Fällen änderte sich der Winkel (Abb. 256); drittens die Fläche (Abb. 257). Im allgemeinen Fall ist es natürlich möglich, alle diese Größen, die den magnetischen Fluss durch den Stromkreis bestimmen, gleichzeitig zu ändern. Eine sorgfältige Untersuchung einer Vielzahl von Induktionsexperimenten zeigt, dass ein induzierter Strom genau dann auftritt, wenn sich der magnetische Fluss ändert; Ein induzierter Strom tritt niemals auf, wenn der magnetische Fluss durch einen bestimmten Stromkreis unverändert bleibt. Also:
Immer wenn sich der magnetische Fluss durch einen leitenden Stromkreis ändert, entsteht in diesem Stromkreis ein elektrischer Strom.
Dies ist eines der wichtigsten Naturgesetze – das Gesetz der elektromagnetischen Induktion, das 1831 von Faraday entdeckt wurde.
138.1. Die Spulen I und II liegen ineinander (Abb. 260). Der erste Stromkreis enthält eine Batterie, der zweite Stromkreis enthält ein Galvanometer. Wenn ein Eisenstab in die erste Spule hinein- oder herausgeschoben wird, erkennt das Galvanometer das Auftreten eines Induktionsstroms in der zweiten Spule. Erklären Sie dieses Erlebnis.
Reis. 260. Zur Übung 138.1
138.2. Der Drahtrahmen dreht sich in einem gleichmäßigen Magnetfeld um eine Achse parallel zur magnetischen Induktion. Wird darin ein induzierter Strom auftreten?
138.3. Hat e. d.s. Induktion an den Enden der Stahlachse eines Autos, wenn es sich bewegt? In welcher Bewegungsrichtung des Autos befindet sich dieses z.B. d.s. am größten und an welchem Punkt ist es am kleinsten? Hängt es davon ab? d.s. Induktion aus der Autogeschwindigkeit?
138.4. Das Fahrzeugchassis bildet zusammen mit seinen beiden Achsen einen geschlossenen Stromkreis. Wird darin Strom induziert, wenn das Auto fährt? Wie kann die Antwort auf dieses Problem mit den Ergebnissen von Problem 138.3 in Einklang gebracht werden?
138.5. Warum führten Blitzeinschläge manchmal zu Schäden an empfindlichen elektrischen Messgeräten mehrere Meter vom Einschlagsort entfernt und zum Schmelzen von Sicherungen im Beleuchtungsnetz?
Denn die in den einzelnen Windungen auftretenden induzierten EMK werden aufsummiert, was die Erkennung des induzierten Stroms erleichtert.2. Erklären Sie die Ursache und Richtung des Induktionsstroms in Faradays Experiment mit zwei ineinander gesteckten Spulen
Der durch das Galvanometer induzierte Strom wurde beobachtet, wenn der Stromkreis geschlossen oder geöffnet war, d. h. wenn sich der magnetische Fluss ändertdurch die äußere Spule. Bei geschlossenem Schlüssel erzeugt der durch die innere Spule fließende Strom eine nach oben gerichtete Induktion in den Bereich der äußeren Spule (siehe Abb. 110a). Wählen wir die Richtung der Umgehung der Windung der äußeren Spule entlang der Seite, die uns am nächsten liegt, nach rechts. Der Vektor seiner Fläche ist nach oben gerichtet, dann ist die Änderung des magnetischen Flusses größer als 0 und die induzierte EMK ist kleiner als 0. Dies bedeutet, dass es entgegen der Richtung fließt, in der der Stromkreis umgangen wird (auf der Seite, die uns am nächsten liegt). die linke).
3. Warum entsteht in der äußeren Spule ein induzierter Strom, wenn die an die Stromquelle angeschlossene innere Spule herausgezogen wird? Wie wird seine Richtung bestimmt?
Die magnetische Induktion, die von der inneren Spule im Bereich der äußeren erzeugt wird, wird durch die Bohrerregel bestimmt und ist nach unten gerichtet. Daher ist der magnetische Fluss durch die Windungen der äußeren Spule negativ. Die Flussänderung nach dem Ausfahren der Spule ist positiv, die EMK ist negativ. Das bedeutet, dass der Induktionsstrom entgegen der Richtung des Bypasses fließt (auf der Seite, die uns am nächsten liegt, links).4. Erklären Sie, warum in einer Spule ein induzierter Strom entsteht, wenn ein Magnet hineingedrückt wird.
Wenn ein Magnet in die Spule bewegt wird, ändert sich der magnetische Fluss (aufgrund einer Änderung des magnetischen Induktionsvektors), daher entsteht ein induzierter Strom.Wenn die innere Spule herausgezogen wird, ändert sich der magnetische Fluss, der durch die stationäre Spule fließt, was zum Auftreten eines Induktionsstroms führt.
5. Fällt ein kleiner Streifenmagnet mit der gleichen Beschleunigung durch eine senkrecht stehende Spule mit geschlossener und geöffneter Spulenwicklung?
Wenn in der Spule kein Strom fließt, ändert sich der magnetische Fluss durch die Spule nicht. Beim Schließen der Spulenwicklung entsteht darin ein Induktionsstrom, der die Bewegung des Magneten verhindert.Die Experimente von H. Oersted und A. Ampere (siehe § 1) zeigten, dass elektrischer Strom ein Magnetfeld erzeugt. Ist es möglich, das Gegenteil zu tun, also ein Magnetfeld zu nutzen, um elektrischen Strom zu erzeugen? Nach mehr als 16.000 Experimenten erhielt der englische Physiker und Chemiker Michael Faraday am 29. August 1831 mithilfe des Magnetfelds eines Permanentmagneten elektrischen Strom. Welche Experimente führte Faraday durch und welche Bedeutung hatte seine Entdeckung?
wir reproduzieren Faradays Experimente
Verbinden wir die Spule mit dem Galvanometer und setzen einen Permanentmagneten in die Spule ein. Während sich der Magnet bewegt, wird die Galvanometernadel ausgelenkt, was bedeutet, dass in der Spule ein elektrischer Strom entstanden ist (Abb. 8.1, a).
Je schneller Sie den Magneten bewegen, desto größer ist der Strom; Wenn die Bewegung des Magneten gestoppt wird, stoppt auch der Strom – der Pfeil kehrt auf Null zurück (Abb. 8.1, b). Wenn wir den Magneten aus der Spule nehmen, sehen wir, dass die Galvanometernadel in die andere Richtung abweicht (Abb. 8.1, c), und nachdem der Magnet aufgehört hat, sich zu bewegen, kehrt er wieder auf Null zurück.
Wenn wir den Magneten stationär lassen und die Spule bewegen (oder sie näher an den Magneten bringen oder sie von ihm wegbewegen oder sie in die Nähe des Pols des Magneten drehen), werden wir erneut eine Auslenkung der Galvanometernadel beobachten.
Nehmen wir nun zwei Spulen – A und B – und legen sie auf einen Kern (Abb. 8.2). Wir verbinden Spule B über einen Rheostat mit einer Stromquelle und Spule A mit einem Galvanometer. Wenn Sie den Rheostat-Schieber bewegen, fließt ein elektrischer Strom in Spule A. Ein Strom entsteht sowohl bei einer Zunahme als auch bei einer Abnahme der Stromstärke in Spule B. Aber die Richtung
Reis. 8.2. Wenn Sie den Stromkreis der Spule B öffnen oder schließen oder den Strom darin ändern, entsteht ein Strom in Spule A
Reis. 8.1. Das Auftreten eines Stroms in der Spule wird von einem Galvanometer aufgezeichnet: a - Wenn ein Magnet in die Spule eingeführt wird, weicht die Galvanometernadel nach rechts aus; b - wenn der Magnet stationär ist, entsteht kein Strom und die Nadel weicht nicht ab; c - Wenn Sie den Magneten von der Spule entfernen, weicht die Galvanometernadel nach links ab
Der Strom wird unterschiedlich sein: Wenn der Strom zunimmt, weicht die Galvanometernadel in die eine Richtung ab, und wenn er abnimmt, in die andere. Der Strom in Spule A entsteht auch im Moment des Schließens und im Moment des Öffnens des Stromkreises von Spule B.
Entsteht in Spule A (siehe Abb. 8.2) ein Strom, wenn sie relativ zu Spule B bewegt wird?
Alle besprochenen Experimente sind eine moderne Version derjenigen, die Michael Faraday 10 Jahre lang durchgeführt hat und dank derer er zu dem Schluss kam: In einem geschlossenen Stromkreis
elektrischer Strom, wenn sich die Anzahl der magnetischen Induktionslinien, die die durch die Kontur begrenzte Oberfläche durchdringen, ändert.
Reis. 8.3. Das Auftreten eines induzierten Stroms, wenn sich die Anzahl der den Stromkreis durchdringenden magnetischen Induktionslinien ändert: a – der Stromkreis wird näher an den Magneten gebracht; b - schwächen Sie das Magnetfeld, in dem sich der Stromkreis befindet
Dieses Phänomen wurde als elektromagnetische Induktion bezeichnet, und der dabei entstehende elektrische Strom wurde als Induktionsstrom (induzierter Strom) bezeichnet (Abb. 8.3).
Tritt in einem geschlossenen Rahmen ein induzierter Strom auf, wenn der Rahmen translatorisch (ohne Drehung) zwischen den Polen eines Elektromagneten bewegt wird (Abb. 8.4)?
Wir finden die Gründe für das Auftreten von Induktionsstrom heraus
Sie haben gelernt, wann in einem geschlossenen Stromkreis ein induzierter Strom auftritt. Was verursacht es? Betrachten wir zwei Fälle.
1. Der leitende Stromkreis bewegt sich in einem Magnetfeld (Abb. 8.3, a). IN in diesem Fall Freie geladene Teilchen im Inneren des Leiters bewegen sich mit ihm in eine bestimmte Richtung. Das Magnetfeld wirkt mit einer bestimmten Kraft auf sich bewegende geladene Teilchen, und unter dem Einfluss dieser Kraft beginnen die Teilchen eine gerichtete Bewegung entlang des Leiters – im Leiter entsteht ein induktiver elektrischer Strom.
2. Ein stationärer Stromkreis befindet sich in einem magnetischen Wechselfeld (Abb. 8.3, b). In diesem Fall können die vom Magnetfeld wirkenden Kräfte die chaotische Bewegung geladener Teilchen im Inneren des Leiters nicht lenken. Warum entsteht im Stromkreis ein induzierter Strom? Tatsache ist, dass ein magnetisches Wechselfeld immer mit dem Auftreten eines Wirbels im umgebenden Raum einhergeht elektrisches Feld(Die Feldlinien eines solchen Feldes sind geschlossen). Somit gibt kein magnetisches, sondern ein elektrisches Feld, das auf freie geladene Teilchen in einem Leiter einwirkt, ihnen eine gerichtete Bewegung und erzeugt dadurch einen induzierten Strom.
Bestimmung der Richtung des Induktionsstroms
Um die Richtung des Induktionsstroms zu bestimmen, verwenden wir eine geschlossene Spule. Wenn Sie das Magnetfeld ändern, das die Spule durchdringt (z. B. indem Sie den Magneten näher oder weiter wegbewegen), entsteht in der Spule ein induzierter Strom und sie wird selbst zum Magneten. Experimente zeigen: 1) Wenn der Magnet näher an die Spule gebracht wird, wird die Spule vom Magneten abgestoßen; 2) Wenn der Magnet von der Spule entfernt wird, wird die Spule vom Magneten angezogen.
Das heisst:
Reis. 8.5. Die Richtung des Induktionsstroms in einer geschlossenen Spule: a - der Magnet wird näher an die Spule gebracht; b - Der Magnet wird von der Spule entfernt
Reis. 8.6. Wenn Sie den Rahmen in einem Magnetfeld drehen, entsteht im Rahmen ein induzierter Strom
1) Wenn die Anzahl der magnetischen Induktionslinien, die die Spule durchdringen, zunimmt (das Magnetfeld innerhalb der Spule verstärkt sich), entsteht in der Spule ein induzierter Strom in einer solchen Richtung, dass die Spule dem Magneten mit dem gleichen Pol zugewandt ist (Abb. 8.5, a).
2) Wenn die Anzahl der magnetischen Induktionslinien, die die Spule durchdringen, abnimmt, entsteht in der Spule ein induzierter Strom in einer solchen Richtung, dass die Spule dem Magneten zugewandt ist Gegenpol(Abb. 8.5, b).
Die Pole der Spule kennen und verwenden rechte Hand(siehe § 3) kann die Richtung des Induktionsstroms bestimmt werden. Das Gleiche gilt für den Fall, dass zwei Spulen auf einem gemeinsamen Kern angeordnet sind (siehe Absatz 5 § 8).
Machen wir uns mit industriellen Energiequellen vertraut
Das Phänomen der elektromagnetischen Induktion wird in elektromechanischen Generatoren genutzt, ohne die die moderne Elektrizitätsindustrie nicht mehr wegzudenken ist.
Ein elektromechanischer Generator ist ein Gerät, in dem mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird.
Lassen Sie uns das Funktionsprinzip eines elektromechanischen Generators herausfinden. Nehmen wir einen Rahmen, der aus mehreren Drahtwindungen besteht, und drehen ihn in einem Magnetfeld (Abb. 8.6). Wenn sich der Rahmen dreht, nimmt die Anzahl der ihn durchdringenden Magnetlinien entweder zu oder ab. Dadurch entsteht im Rahmen ein Strom, dessen Vorhandensein durch das Leuchten der Lampe angezeigt wird.
Industrielle Stromgeneratoren sind fast genauso aufgebaut wie Elektromotoren, jedoch ist der Generator vom Funktionsprinzip her ein umgekehrter Elektromotor. Ein Generator besteht wie ein Elektromotor aus einem Stator und einem Rotor (Abb. 8.7). Der massive stationäre Stator (1) ist ein Hohlzylinder, auf dessen Innenfläche sich eine dicke befindet
kupferisolierter Draht - Statorwicklung (2). Der Rotor (3) dreht sich im Stator. Es handelt sich, wie der Rotor eines Elektromotors, um einen großen Zylinder, in dessen Nuten die Rotorwicklung (4) eingelegt ist. Diese Wicklung wird von einer Quelle gespeist Gleichstrom. Strom fließt durch die Rotorwicklung und erzeugt ein Magnetfeld, das die Statorwicklung durchdringt.
Unter dem Einfluss von Dampf (bei Wärme- und Kernkraftwerken) oder aus großer Höhe fallendem Wasser (bei Wasserkraftwerken) beginnt sich der Rotor des Generators schnell zu drehen. Dadurch ändert sich die Anzahl der magnetischen Induktionslinien, die die Windungen der Statorwicklung durchdringen, und in der Wicklung entsteht ein induzierter Strom. Nach einer Reihe von Umwandlungen wird dieser Strom den Verbrauchern elektrischer Energie zugeführt.
Lernen, Probleme zu lösen Problem. Spule und Aluminiumring sind auf einem gemeinsamen Kern platziert (Abb. 1). Bestimmen Sie die Richtung des Induktionsstroms im Ring, wenn der Schlüssel geschlossen ist. Wie verhält sich der Ring, wenn der Schlüssel geschlossen ist? einige Zeit nachdem der Schlüssel geschlossen wurde? im Moment des Öffnens des Schlüssels?
Physikalische Problemanalyse, Lösung
1) Der Strom in der Spule wird entlang ihrer Vorderwand nach oben gerichtet (von „+“ nach „-“). Mit unserer rechten Hand bestimmen wir die Pole der Spule (die Richtung der magnetischen Linien innerhalb der Spule): Der Südpol der Spule liegt näher am Ring (Abb. 2).
2) In dem Moment, in dem der Schlüssel geschlossen wird, erhöht sich der Strom in der Spule, sodass sich das Magnetfeld im Inneren des Rings verstärkt.
3) Im Ring entsteht ein Induktionsstrom in einer solchen Richtung, dass der Ring der Spule mit demselben Pol (Süden) zugewandt ist und von dieser abgestoßen wird.
4) Bestimmen Sie mit Ihrer rechten Hand die Richtung des Induktionsstroms im Ring (er ist entgegengesetzt zur Richtung des Stroms in der Spule).
Fast unmittelbar nach dem Schließen des Schlüssels ist der Strom in der Spule konstant, das Magnetfeld im Ring ändert sich nicht und es fließt kein Induktionsstrom im Ring. Der Ring besteht aus einem magnetisch schwachen Material, sodass er kaum mit der Spule interagiert.
In dem Moment, in dem sich der Schlüssel öffnet, nimmt der Strom in der Spule schnell ab und das von der Spule erzeugte Magnetfeld wird geschwächt. Im Ring entsteht ein induzierter Strom in einer solchen Richtung, dass der Ring mit einem Gegenpol der Spule zugewandt ist und für kurze Zeit von dieser angezogen wird (Abb. 3).
So bestimmen Sie die Richtung des Induktionsstroms (Algorithmus)
1. Bestimmen Sie die Richtung der magnetischen Induktion des externen Magnetfelds (B).
2. Finden Sie heraus, ob das äußere Magnetfeld stärker oder schwächer wird (die Anzahl der magnetischen Induktionslinien, die den Stromkreis durchdringen, nimmt zu oder ab).
3. Bestimmen Sie die Richtung des durch den Induktionsstrom erzeugten Magnetfelds (B).
4. Bestimmen Sie die Richtung des Induktionsstroms.
Fassen wir es zusammen
Wenn sich in einem geschlossenen Stromkreis die Anzahl der den Stromkreis durchdringenden magnetischen Induktionslinien ändert, entsteht ein elektrischer Strom. Ein solcher Strom wird als Induktion bezeichnet, und das Phänomen des Auftretens von Strom wird als elektromagnetische Induktion bezeichnet.
Einer der Gründe für das Auftreten von induziertem Strom besteht darin, dass ein magnetisches Wechselfeld immer mit dem Auftreten eines elektrischen Feldes im umgebenden Raum einhergeht. Das elektrische Feld wirkt auf freie geladene Teilchen im Leiter und diese beginnen sich in eine Richtung zu bewegen – es entsteht ein induzierter Strom.
Kontrollfragen
1. Beschreiben Sie die Experimente von M. Faraday. 2. Was ist das Phänomen der elektromagnetischen Induktion? 3. Welcher Strom wird als Induktionsstrom bezeichnet? 4. Was sind die Ursachen für induzierten Strom? 5. Der Betrieb welcher Geräte basiert auf dem Phänomen der elektromagnetischen Induktion? Welche Energieumwandlungen finden in ihnen statt? 6. Beschreiben Sie den Aufbau und das Funktionsprinzip von Stromgeneratoren.
Übung Nr. 8
1. Zwei feste Spulen werden wie in Abb. gezeigt angeordnet. 1. Ein an eine der Spulen angeschlossenes Milliamperemeter registriert das Vorhandensein von Strom. Unter welchen Voraussetzungen ist dies möglich?
2. In Abb. Abbildung 2 zeigt ein Gerät namens „Lenz-Ringe“. Das Gerät besteht aus zwei Aluminiumringen (massiv und geschnitten),
montiert auf einer Aluminiumwippe, die sich leicht um eine vertikale Achse drehen lässt.
1) Wie verhält sich der massive Ring des Geräts, wenn: a) ein Magnet näher an ihn herangebracht wird? b) den Magneten davon entfernen? c) Bringen Sie den Magneten mit dem Südpol näher an ihn heran?
2) Bestimmen Sie für jeden Fall a-c in Punkt 1 die Richtung des induzierten Stroms in einem massiven Ring und die Richtung des durch diesen Strom erzeugten Magnetfelds.
3) Was passiert, wenn der Magnet näher an den geschnittenen Aluminiumring gebracht wird?
3. Zwei Spulen werden auf einen Kern gelegt (Abb. 3). Bestimmen Sie die Richtung des Induktionsstroms in Spule A, wenn: 1) der Stromkreis geschlossen ist; 2) den Stromkreis öffnen; 3) Bewegen Sie den Rheostat-Schieber nach links; 4) Bewegen Sie den Rheostat-Schieber nach rechts.
4. Verfassen Sie ein Problem, das umgekehrt zu dem in Absatz 5 von § 8 betrachteten Problem ist. Lösen Sie das kompilierte Problem.
LABORARBEIT Nr. 2
Thema. Beobachtung des Phänomens der elektromagnetischen Induktion.
Zweck: Untersuchung der Bedingungen für das Auftreten von Induktionsstrom in einer geschlossenen Spule; Finden Sie die Faktoren heraus, von denen die Stärke und Richtung des Induktionsstroms abhängt.
Ausrüstung: Milliamperemeter, zwei Streifen- oder zwei Hufeisenmagnete, eine Drahtspule auf einem Rahmen, ein Marker.
Anweisungen für die Arbeit
Vorbereitung auf das Experiment
1. Denken Sie vor der Durchführung der Arbeiten daran:
1) Sicherheitsanforderungen beim Arbeiten mit Stromkreisen;
2) Regeln, die bei der Strommessung mit einem Amperemeter befolgt werden müssen;
3) wie die Stärke des Induktionsstroms von der Änderungsrate des Magnetfelds abhängt;
4) Was bestimmt die Richtung des Induktionsstroms?
2. Schließen Sie die Aufgabe ab. In Abb. In Abb. 1-4 zeigen einen Streifenmagneten, eine Spule-Spule, die an ein Milliamperemeter angeschlossen ist, und die Richtung der Bewegungsgeschwindigkeit des Magneten ist angegeben. Übertragen Sie die Zeichnungen in Ihr Notizbuch und gehen Sie für jeden Fall wie folgt vor: 1) Geben Sie die Magnetpole der Spule an; 2) Bestimmen und zeigen Sie die Richtung des Induktionsstroms in der Spule.
3. Sammeln Stromkreis, Verbinden der Spulendrähte mit den Anschlüssen des Milliamperemeters.
4. Markieren Sie eines der Enden der Rolle mit einem Marker.
Halten Sie sich unbedingt an die Sicherheitshinweise (siehe Flyleaf). Experiment 1
Klärung der Bedingungen für das Auftreten eines Induktionsstroms in einem geschlossenen Leiter und der Faktoren, von denen die Richtung des Induktionsstroms abhängt.
Halten Sie die Spule und den Magneten in Ihren Händen und führen Sie nacheinander die in der Tabelle aufgeführten Experimente durch. 1. Füllen Sie die Tabelle aus. 1.
Beachten Sie! Der Magnet darf nur von der Seite des Endes der Spule, auf der die Markierung angebracht ist, in die Spule eingeführt und aus ihr herausgeführt werden.
Tabelle 1
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Aktionen mit Magnet und Spule |
Wie verhält sich die Milliamperemeter-Nadel (weicht nach links ab, nach rechts, weicht nicht ab) |
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Wir stecken den Magneten mit dem Nordpol in die Spule |
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Lassen Sie den Magneten stehen |
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Entfernen des Magneten von der Spule |
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Wir stecken den Magneten mit dem Südpol in die Spule |
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Lassen Sie den Magneten stehen |
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Entfernen des Magneten von der Spule |
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Wir bringen die Spule näher Südpol Magnet |
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Wir bringen die Spule näher Nordpol Magnet |
Analyse der Ergebnisse von Experiment 1
Analysieren Sie die Tabelle. 1 und formulieren Sie eine Schlussfolgerung, in der Sie angeben:
1) unter welchen Bedingungen entsteht in einer geschlossenen Spule ein induzierter Strom;
2) wie sich die Richtung des Induktionsstroms ändert, wenn sich die Bewegungsrichtung des Magneten ändert;
3) wie sich die Richtung des Induktionsstroms ändert, wenn sich der Pol des Magneten ändert, der näher oder weiter von der Spule entfernt wird.
Experiment 2
Finden Sie die Faktoren heraus, von denen der Wert des Induktionsstroms abhängt. Halten Sie die Spule und den Magneten in Ihren Händen und führen Sie nacheinander die in der Tabelle aufgeführten Experimente durch. 2. Messen Sie jedes Mal den Milliamperemeter ab und tragen Sie ihn in die Tabelle ein. 2.
Tabelle 2
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Aktionen mit Magnet und Spule |
Stromstärke I, mA |
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Setzen Sie den Magneten schnell in die Spule ein |
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Führen Sie den Magneten langsam in die Spule ein |
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Wir stecken schnell zwei mit gleichen Polen gefaltete Magnete in die Spule |
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Führen Sie langsam zwei mit gleichen Polen gefaltete Magnete in die Spule ein |
Analyse der Ergebnisse von Experiment 2
Analysieren Sie die Tabelle. 2 und formulieren Sie eine Schlussfolgerung, in der Sie angeben:
1) wie die Stärke des Induktionsstroms von der Geschwindigkeit der Relativbewegung von Magnet und Spule abhängt;
2) wie die Stärke des Induktionsstroms vom Induktionswert des externen Magnetfelds abhängt, dessen Änderung zur Entstehung des Stroms in der Spule führte.
Kreative Aufgabe
Überlegen Sie sich einen Plan für die Durchführung von Experimenten und schreiben Sie ihn auf, um die Bedingungen für das Auftreten von induziertem Strom in einer geschlossenen Spule für den Fall zu untersuchen, dass zwei Spulen auf einem gemeinsamen Kern angeordnet sind (siehe Abb. 5-7). Führen Sie nach Möglichkeit Experimente durch. Formulieren Sie Ihre Schlussfolgerungen. Geben Sie für jede Spule die Pole und die Richtung des Stroms an.
ZUSAMMENFASSUNG VON ABSCHNITT I „Magnetfeld“
1. Beim Studium von Abschnitt I haben Sie herausgefunden, dass zunächst jemand etwas über Permanentmagnete erfuhr und anfing, sie zu verwenden; Viel später wurden Elektromagnete entwickelt.
2. Sie haben gelernt, dass sich in der Nähe eines magnetisierten Körpers, eines sich bewegenden geladenen Teilchens und eines stromführenden Leiters ein Magnetfeld befindet.
ein magnetisches Feld
eine Form von Materie, die in der Nähe magnetisierter Körper, stromführender Leiter und sich bewegender geladener Körper oder Teilchen existiert und auf andere magnetisierte Körper, stromführende Leiter und sich bewegende geladene Körper oder Teilchen einwirkt, die sich in diesem Feld befinden
3. Sie haben gelernt, dass in einem Magnetfeld alle Stoffe magnetisiert werden, jedoch auf unterschiedliche Weise.
MAGNETISCHE EIGENSCHAFTEN VON STOFFEN
4. Sie haben herausgefunden, dass auf einen stromdurchflossenen Leiter, der sich in einem Magnetfeld befindet, eine Ampere-Kraft wirkt.
AMP-POWER
Praktische Anwendung der Amperekraft
5. Sie haben die Experimente von M. Faraday reproduziert und sich mit dem Phänomen der elektromagnetischen Induktion vertraut gemacht.
PHÄNOMEN DER ELEKTROMAGNETISCHEN INDUKTION
Faradays Experimente
Industrielle Stromerzeugung
Wenn sich die Anzahl der magnetischen Induktionslinien, die durch eine geschlossene Spule verlaufen, ändert, entsteht in der Spule ein induzierter elektrischer Strom
Elektromechanischer Generator -
ein Gerät, bei dem dank elektromagnetischer Induktion mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird
SELBSTTESTAUFGABEN FÜR ABSCHNITT I „Magnetfeld“
Die Aufgaben 1, 2, 5-7 enthalten jeweils nur eine richtige Antwort.
1. (1 Punkt) Südlich Magnetpol Kompassnadeln zeigen normalerweise an:
a) zum geografischen Nordpol der Erde;
b) der magnetische Südpol der Erde;
c) der geografische Südpol der Erde;
d) der Äquator der Erde.
2. (1 Punkt) Das Magnetfeld einer Spule mit Strom wird schwächer, wenn:
a) einen Eisenkern in die Spule einführen; c) den Strom reduzieren;
b) die Windungszahl der Wicklung erhöhen; d) Erhöhen Sie den Strom.
A Experimente von A. Ampere B Experimente von V. Hilbert C Experimente von H. Oersted D Experimente von C. Coulomb D Experimente von M. Faraday
3. (2 Punkte) Passen Sie das an wissenschaftliche Tatsache und die Experimente, durch die diese Tatsache enthüllt wurde.
1 In der Nähe eines stromdurchflossenen Leiters herrscht ein Magnetfeld
2 In der Nähe des Planeten Erde gibt es ein Magnetfeld
3 Zwei stromführende Leiter interagieren
4 Ein magnetisches Wechselfeld erzeugt ein elektrisches Feld
4. (2 Punkte) Listen Sie alle richtigen Aussagen auf.
a) Ein Magnetpol ist ein Abschnitt der Oberfläche eines Magneten magnetische Wirkung manifestiert sich am stärksten.
b) Die Induktionslinien eines gleichmäßigen Magnetfeldes können gekrümmt sein.
c) Die SI-Einheit der magnetischen Induktion ist Tesla.
d) Der Rotor ist der stationäre Teil des Motors.
5. (2 Punkte) In welchem Fall (Abb. 1) ist die Richtung der magnetischen Feldlinien gerader Leiter Wird der Strom korrekt angezeigt?
Rechts?
7. (2 Punkte) Ein gerader Leiter von 0,6 m Länge befindet sich in einem gleichmäßigen Magnetfeld mit einer Induktion von 1,2 mT in einem Winkel von 30° zu den magnetischen Induktionslinien des Feldes. Bestimmen Sie die Amperekraft, die auf den Leiter wirkt, wenn der Strom darin 5 A beträgt.
a) 1,8 mN; b) 2,5 mN; c) 3,6 mN; d) 10 mN.
8. (2 Punkte) Bevor das Getreide die Mühlsteine der Mühle erreicht, wird es zwischen den Polen eines starken Elektromagneten hindurchgereicht. Warum tun sie das?
9. (3 Punkte) Die Magnetnadel wird im Magnetfeld der Spule mit Strom versorgt (Abb. 3). Bestimmen Sie die Pole der Stromquelle.
10. (3 Punkte) Der Rahmen dreht sich im Magnetfeld eines Permanentmagneten (Abb. 4). Bestimmen Sie die Pole der Stromquelle, an die der Rahmen angeschlossen ist.
11. (3 Punkte) Ein stromdurchflossener Leiter befindet sich im Magnetfeld eines Hufeisenmagneten (Abb. 5). Identifizieren Sie die Pole des Magneten.
12. (3 Punkte) Wird die Magnetnadel von der Nord-Süd-Richtung abweichen, wenn eine Eisenstange an sie herangeführt wird? Kupfer Barren?
13. (4 Punkte) Identifizieren Sie die Pole des Elektromagneten in Abb. 6. Wie ändert sich die Hubkraft des Elektromagneten, wenn der Rheostat-Schieber nach links bewegt wird?
14. (4 Punkte) Bestimmen Sie die Richtung des Induktionsstroms in einem geschlossenen leitenden Ring im Moment des Schließens des Schlüssels (Abb. 7).
15. (4 Punkte) Eine 40 cm lange und 50 g schwere Stahlstange liegt senkrecht zu den horizontalen Schienen (Abb. 8). Entlang der Schienen wird ein gleichmäßiges Magnetfeld mit einer Induktion von 0,25 Tesla gerichtet. Durch die Stange wird ein elektrischer Strom von 2 A geleitet. Mit welcher Kraft drückt die Stange auf die Schienen?
Vergleichen Sie Ihre Antworten mit denen am Ende des Lehrbuchs. Markieren Sie die Aufgaben, die Sie richtig erledigt haben, und berechnen Sie die Gesamtpunktzahl. Teilen Sie diesen Betrag dann durch drei. Das erzielte Ergebnis entspricht dem Niveau Ihrer Bildungsleistungen.
Ausbildung Testaufgaben mit Computerüberprüfung finden Sie auf der elektronischen Bildungsressource „Interaktives Lernen“.
Von Sternen zu „fliegenden“ Fröschen oder Warum braucht man superstarke Magnete?
Die meisten Menschen assoziieren Magnete mit einem Kompass. Ingenieure werden sich an ihre Verwendung in Elektromotoren und Stromgeneratoren erinnern. Aber alle diese Designs sind schon seit langem bekannt. Bedeutet dies, dass eine weitere Untersuchung magnetischer Phänomene nicht mehr erforderlich ist?
Beeilen Sie sich nicht mit der Antwort, denken Sie zum Beispiel an „reibungslose“ Züge. Die Schienen für solche Züge sind ein Magnetfeld. Zwei Magnete, einer davon in den Stützen und der zweite im Zug selbst, stehen sich polgleich gegenüber, stoßen sich also ab. Dadurch scheint der Zug über die Straße zu „fliegen“. Die Vorteile einer solchen technischen Lösung wurden ausführlich auf der „Enzyklopädischen Seite“ des Lehrbuchs für die 7. Klasse beschrieben. Um Züge „reibungsfrei“ zu bewegen, werden Hochleistungsmagnete eingesetzt. Welche Magnete werden als superstark bezeichnet und wo werden sie sonst noch eingesetzt?
Vergleichen wir zunächst die Induktion von Magnetfeldern, die von verschiedenen Objekten erzeugt werden. Die folgende Tabelle zeigt, wie oft sich die Induktion B des Magnetfelds eines bestimmten Objekts von der Induktion B 3 des Erdmagnetfelds unterscheidet. Das Erdmagnetfeld ist relativ schwach, kann jedoch die Genauigkeit einer Reihe von Experimenten beeinträchtigen, und Wissenschaftler haben gelernt, es in speziell ausgestatteten Räumen – magnetisch abgeschirmten Räumen – abzuschirmen (zu reduzieren). Die Magnetfeldinduktion in einem solchen Raum ist 10 Millionen Mal geringer als auf der Erdoberfläche.
Wie wir der Tabelle entnehmen können, ist ein Magnet entstanden, dessen Magnetfeldinduktion 200.000 Mal größer ist als das Erdmagnetfeld. Warum werden so starke Magnete benötigt?
Relative Stärken magnetischer Felder
Zunächst werden superstarke Magnete benötigt, um Strahlen geladener Teilchen in Beschleunigern zu halten. In Abb. Abbildung 1 zeigt einen der größten Beschleuniger der Welt. Geladene Teilchen bewegen sich entlang eines riesigen Rings mit mehreren Kilometern Durchmesser. Um zu verhindern, dass Partikel an die Wände „herausspritzen“, sind superstarke Magnete erforderlich (Abb. 2).
Der Einsatz von Hochleistungsmagneten ist in der Medizin weithin bekannt: Sie dienen der Bildgewinnung innere Organe Person (Abb. 3, 4). Im Gegensatz zur Diagnostik mittels Röntgenstrahlen ist die Magnetresonanzmethode wesentlich sicherer.
Lassen Sie uns zum Schluss noch ein weiteres Beispiel für den Einsatz superstarker Magnete geben. Ingenieure haben bereits schwere Züge zum „Fliegen“ gebracht, aber ist es möglich, einem Menschen oder einem Tier das Fliegen beizubringen?
Es stellt sich heraus, dass es auf die Materialien ankommt. Bei der Konstruktion eines Zuges können Ferromagnete zur Verstärkung des Magnetfelds eingesetzt werden, die Stoffe, aus denen der Körper besteht, verfügen jedoch nicht über solche Eigenschaften. Implantatieren Sie keine „Drüsen“ in den Körper!
Superstarke Magnete halfen auf dem Weg zur Beherrschung der Levitation. Es stellte sich heraus, dass bei sehr starken Magnetfeldern bereits ein schwacher Magnetismus des Körpers ausreicht, um die erforderliche Abstoßungskraft bereitzustellen. Den Wissenschaftlern gelang es, einen Frosch zum „Fliegen“ zu bringen, indem sie ihn während des Experiments über einen superstarken Magneten hielten (Abb. 5). Den Forschern zufolge ging es der Testperson nach dem Flug gut. Es geht um „Kleinigkeiten“: Man muss das Magnetfeld um das 10- bis 100-fache erhöhen – und schon erlebt der Mensch das berauschende Fluggefühl.
Indikative Projektthemen
1. Magnetische Materialien und ihre Verwendung.
2. Magnetische Aufzeichnung von Informationen.
3. Manifestation und Anwendung magnetische Wechselwirkungen in Natur und Technik.
4. Geomagnetisches Feld der Erde.
5. Magnetische Stürme und ihre Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit.
6. Verschiedene elektromagnetische Geräte.
7. Stromgeneratoren.
Themen von Abstracts und Nachrichten
1. Der Einfluss des Magnetfelds auf die Qualität und Geschwindigkeit der Samenkeimung.
2. Der Einfluss des Magnetfeldes auf das Leben und die Gesundheit des Menschen.
3. Lorentzkraft. Erscheinungsformen der Lorentzkraft in der Natur, Anwendung in der Technik.
4. Geschichte des Studiums des Magnetismus.
5. Magnetische Momente Atom und seine Bestandteile.
6. Antimagnetische Stoffe und ihre Anwendung.
7. Beitrag ukrainischer Wissenschaftler zur Erforschung des Magnetismus.
8. M. Faraday und J. Maxwell – Begründer der Theorie des elektromagnetischen Feldes.
9. Magnetische Stürme in der Atmosphäre der Riesenplaneten Saturn und Uranus.
10. Nikola Tesla ist ein Mann seiner Zeit voraus.
11. Wie Beschleuniger geladener Teilchen funktionieren.
12. Was ist ein Magnetabscheider und wozu dient er?
13. MHD-Generator: Was er erzeugt und wie er funktioniert.
14. Was ist eine Hystereseschleife und wie hängt sie mit Magnetisierung und Magnetisierungsumkehr zusammen?
15. Magnetische Flüssigkeit: einzigartige Eigenschaften, Anwendungsbeispiele.
experimentelle Forschungsthemen
1. Untersuchung der Eigenschaften von Permanentmagneten.
2. Untersuchung des Erdmagnetfeldes.
3. Messung der magnetischen Induktion des Magnetfeldes einer Spule mit Strom; Magnetfeld eines Hufeisenmagneten.
4. Herstellung eines Stromgenerators.
5. Untersuchung des Phänomens der elektromagnetischen Induktion.
6. Herstellung einer magnetischen Flüssigkeit, Untersuchung ihrer Eigenschaften.
7. Herstellung eines Elektromotors.
Das ist Lehrbuchmaterial
