Ono što je tipično za vrtložno elektrostatičko polje. Vrtložno električno polje

Indukcijsko električno polje je vrtložno. Smjer linija sile vrtloga el. polja poklapa sa pravcem indukciona struja Indukcijsko električno polje ima potpuno drugačija svojstva za razliku od elektrostatičko polje.

elektrostatičko polje	indukcijsko električno polje (vrtložno električno polje)
1. koju stvara nepomični elektr. optužbe	1. uzrokovana promjenama u magnetskom polju
2. linije sila su otvorene - - potencijalno polje	2. linije sile su zatvorene - - vrtložno polje
3. Izvori polja su el. optužbe	3. izvori polja se ne mogu specificirati
4. rad sila polja pri kretanju ispitnog naboja po zatvorenoj putanji = 0.	4. rad sila polja na kretanju ispitnog naboja duž zatvorene staze \u003d indukcijski EMF

Vrtložne struje

Induktivne struje u masivnim provodnicima nazivaju se Foucaultove struje. Foucaultove struje mogu dostići vrlo velike vrijednosti, jer Otpor masivnih provodnika je mali, pa su jezgra transformatora napravljena od izolovanih ploča. U feritima - magnetnim izolatorima vrtložne struje praktički ne nastaju.

Upotreba vrtložnih struja

Zagrijavanje i topljenje metala u vakuumu, prigušnice u električnim mjernim instrumentima.

Štetni efekti vrtložnih struja

To su gubici energije u jezgri transformatora i generatora zbog oslobađanja veliki broj toplota.

SAMOINDUKCIJA

Svaki provodnik kroz koji teče električna struja nalazi se u svom magnetskom polju.

Kada se u provodniku promijeni jačina struje, mijenja se i m.polje, tj. promjene magnetni fluks koju generiše ova struja. Promjena magnetskog fluksa dovodi do pojave vrtložnog električnog polja i indukcijski EMF se pojavljuje u krugu. Ovaj fenomen se naziva samoindukcija. Samoindukcija - fenomen pojave indukcijske EMF u električnom kolu kao rezultat promjene jačine struje. Rezultirajuća emf naziva se emf samoindukcije.

Manifestacija fenomena samoindukcije

Zatvaranje strujnog kruga Kada se kolo zatvori, struja se povećava, što uzrokuje povećanje magnetskog toka u zavojnici, nastaje vrtložno električno polje, usmjereno protiv struje, tj. EMF samoindukcije se javlja u zavojnici, što sprečava da struja raste u kolu (vorteksno polje usporava elektrone). Kao rezultat L1 svijetli kasnije, nego L2.

Otvoreno kolo Kada se električni krug otvori, struja se smanjuje, dolazi do smanjenja m.toka u zavojnici, pojavljuje se vrtložno električno polje, usmjereno poput struje (težeći održavanju iste jačine struje), tj. U zavojnici se pojavljuje samoinduktivna emf koja održava struju u kolu. Kao rezultat, L kada je isključen treperi jako. Zaključak u elektrotehnici, fenomen samoindukcije se manifestira kada se sklop zatvori (električna struja se postepeno povećava) i kada se sklop otvori (električna struja ne nestane odmah).

INDUCTANCE

Od čega zavisi EMF samoindukcije? Električna struja stvara svoje magnetno polje. Magnetni tok kroz kolo je proporcionalan indukciji magnetskog polja (F ~ B), indukcija je proporcionalna jačini struje u vodiču (B ~ I), stoga je magnetni tok proporcionalan jačini struje (F ~ I ). EMF samoindukcije ovisi o brzini promjene jačine struje u električnom kolu, o svojstvima vodiča (veličina i oblik) i o relativnoj magnetskoj permeabilnosti medija u kojem se provodnik nalazi. Fizička količina, koji pokazuje ovisnost EMF-a samoindukcije od veličine i oblika vodiča i od okoline u kojoj se vodič nalazi, naziva se koeficijent samoindukcije ili induktivnost. Induktivnost - fizička. vrijednost numerički jednaka EMF-u samoindukcije koja se javlja u kolu kada se jačina struje promijeni za 1 amper u 1 sekundi. Također, induktivnost se može izračunati po formuli:

gdje je F magnetski tok kroz kolo, I je jačina struje u kolu.

SI jedinice za induktivnost:

Induktivnost zavojnice zavisi od: broja zavoja, veličine i oblika zavojnice i relativne magnetske permeabilnosti medija (moguća je jezgra).

SAMOINDUKCIJSKI EMF

EMF samoindukcije sprečava povećanje jačine struje kada je kolo uključeno i smanjenje jačine struje kada se kolo otvori.

Između svih akademske discipline fizika je predmet koji se najviše može kompjuterizovati. Informaciona tehnologija se može koristiti za učenje teorijski materijal, trening, kao sredstvo modeliranja i vizualizacije, itd. Izbor zavisi od ciljeva, zadataka i faze lekcije (objašnjenje, konsolidacija, ponavljanje gradiva, provjera znanja itd.).

Podučavajući djecu fiziku, uočavamo smanjenje interesovanja za predmet, a istovremeno i pad nivoa znanja. Ovaj problem sam objasnio nedostatkom vizuelnog materijala, nedostatkom opreme, složenošću samog predmeta. Problemi koji su se pojavili povezani su i sa brzim i kontinuirano rastućim obimom ljudskog znanja. U uslovima u kojima se obim informacija udvostručuje svakih nekoliko godina, klasični udžbenik i nastavnik neminovno postaju dobavljači zastarelog znanja. No, također sam primijetio da broj djece koja mogu koristiti kompjuter ubrzano raste, a ovaj trend će se ubrzavati bez obzira na paradigmu. školsko obrazovanje. Za mene se postavilo pitanje zašto ne iskoristiti nove pedagoške mogućnosti kompjutera kao nastavnog sredstva.

Računar za studente – kao izvor novih informacija i kao sredstvo za intelektualnu i uopšte – kognitivnu aktivnost. Rad na računaru može (i trebao bi) i to razviti lični kvaliteti, kao refleksivnost, kritičnost prema informacijama, odgovornost, sposobnost prihvatanja nezavisne odluke i konačno, tolerancija i kreativnost, komunikacijske vještine.

Računar za nastavnika je savremeno sredstvo za rješavanje didaktičkih problema organizovanja novih oblika razvojnog obrazovanja.

Bilješka opšti značaj računara u obrazovni proces . Oni su:

Uklopiti se sa tradicionalnim učenjem.

Uspješno se koriste u obrazovnim i vannastavnim aktivnostima različitog sadržaja i organizacije.

Oni doprinose aktivnom uključivanju učenika u obrazovni proces, održavaju interes.

Didaktičke karakteristike računara:

Informaciono bogatstvo.

Sposobnost prevazilaženja postojećih vremenskih i prostornih granica.

Mogućnost dubokog prodiranja u suštinu proučavanih pojava i procesa.

Prikaz proučavanih pojava u razvoju, dinamici.

Realnost je odraz stvarnosti.

Ekspresivnost, bogatstvo izražajnih tehnika, emocionalno bogatstvo.

Takvo bogatstvo kompjuterskih mogućnosti omogućava nam da izbliza pogledamo njegovo proučavanje kao novo didaktičko sredstvo.

Prilikom izvođenja nastave fizike može se koristiti sljedeće vrste ICT-a:

multimedijalne prezentacije,

video zapisi i klipovi,

animacije koje simuliraju fizičke procese,

elektronski udžbenici,

programe obuke

simulatorski programi (za pripremu ispita),

rad sa internet stranicama

fizikalni laboratorij L-mikro.

Prilikom izvođenja nastave najčešći oblik korištenja IKT-a je multimedijalna prezentacija. Ova vrsta podrške lekciji omogućava vam da se fokusirate na najvažnije elemente materijala koji se proučava, uključujući animacije i video klipove. Osim toga, multimedijalne prezentacije učenici koriste prilikom izrade prezentacija i poruka ili prilikom odbrane istraživački rad. Prilikom pripreme prezentacije za lekciju treba uzeti u obzir sljedeće karakteristike:

prezentacija treba da bude vizuelna, slajd ne treba da sadrži mnogo teksta, tekst treba da bude veliki i lak za čitanje;

prezentacija treba da bude ilustrovana: da sadrži crteže, fotografije, dijagrame;

broj slajdova treba biti ograničen (15-20 slajdova);

prezentacija ne bi trebala uzrokovati neugodne senzacije uzrokovane dinamičkom reprodukcijom i promjenama kadrova, ili nelagodu u boji;

najviše važna informacija treba postaviti na prvi i zadnji slajd.

Kada kreirate prezentaciju, imajte na umu da je ona pratnja govoru, izvještaju ili lekciji i da je ne zamjenjuje. Često prilikom izrade prezentacija učenici pokušavaju da u njih smjeste sve informacije, uloga nastavnika u ovoj situaciji je da ispravi sadržaj prezentacije i njenu percepciju. Ovo je najrelevantnije prilikom odbrane projekata, konkursnih i istraživačkih radova. Na svim konkursima pri ocjenjivanju rada vodi se računa o vidljivosti, koja najvećim dijelom predstavlja multimedijalnu prezentaciju.

Druga vrsta IKT koja se koristi u nastavi fizike je upotreba elektronska pomagala. Elektronske udžbenike i programe obuke je svrsishodnije koristiti pri izradi domaćih zadataka i samostalnog rada učenika, kao i pri radu sa bilo kojim edukativna literatura, u ovom slučaju potrebno je pažljivo razmotriti i precizirati zadatke za učenike.

Programi simulatora djeluju kao samostalni proizvod koji vam omogućava da razradite proučavano gradivo, da identifikujete probleme s kojima se studenti suočavaju prilikom proučavanja teorijskog materijala.

Online testovi imaju posebnu ulogu u pripremi za državnu završnu certifikaciju. Učenik skoro odmah vidi rezultat i realno procjenjuje svoje mogućnosti.

Važan element upotrebe IKT-a u nastavi fizike je rad sa interaktivnim modelima, koji su predstavljeni u proizvodima kao što su "Live Physics", " otvorena fizika". Gotovo svi modeli vam omogućavaju da pokažete iskustva prilikom objašnjavanja novog materijala. Rad sa takvim programima omogućava vam da zagledate duboko u fenomen, da razmotrite procese koji se ne mogu posmatrati u "živom" eksperimentu. Prilikom korištenja modela za demonstracije moguće je uključiti nekog od učenika kao asistenta, jer je prilično teško raditi za računarom i istovremeno dati potrebna objašnjenja razredu. osim toga, samostalan rad učenika ovim programima doprinosi razvoju kognitivne aktivnosti.

Od posebnog interesa za studente je implementacija virtuelnog laboratorijski rad. Učenici mogu postaviti potrebne kompjuterske eksperimente kako bi testirali svoje ideje kada odgovaraju na pitanja ili rješavaju probleme. Naravno, kompjuterska laboratorija ne može zamijeniti pravu laboratoriju fizike. Međutim, izvođenje rada u računarskoj laboratoriji zahtijeva određene vještine koje su karakteristične i za pravi eksperiment – izbor početni uslovi, postavljanje opcija iskustva itd.

Jednu od ključnih uloga u nastavi fizike ima fizički laboratorij L-mikro. Upotreba kompjutera kao mjernog alata omogućava širenje granica školskog fizičkog eksperimenta i izvođenje fizičkog istraživanja.

Prilikom pripreme za časove fizike, potrebno je zapamtiti brzi razvoj nauke i tehnologije. Posjedujući nove informacije o dostignućima savremene fizike u određenoj oblasti, nastavnik ne samo da naglašava važnost i neophodnost izučavanja fizike u školi, već i razvija kognitivna aktivnostškolarac. Istovremeno, preporučljivo je uputiti učenike na traženje informacija o savremenim dostignućima u ovoj oblasti fizike. Po pravilu, školarci imaju kreativan pristup procesu traženja i često su, zaneseni prikupljanjem informacija, zaneseni i samim problemom, koji se može razviti u samostalno istraživanje. Međutim, učenici treba da obrate pažnju na traženje pouzdanih izvora informacija. Jedan od ovih internet izvora je popularna stranica o fundamentalnoj nauci elementy.ru.

Web stranica može biti ne samo izvor informacija, već i samostalan obrazovni proizvod. Dakle, stranica elementy.ru, osim informativnih odjeljaka, sadrži i interaktivne postere, pri radu s kojima studenti imaju priliku ne samo vidjeti šeme najsloženijih tehničkih uređaja, već i "pogledati" unutra, promijeniti uslove rada i studiranje teorijska osnova procesi. Rad sa takvim posterima vam omogućava da pokažete praktični značaj zakoni koji se izučavaju na časovima fizike.

Uključujući elemente IKT u proces nastave fizike, nastavnik ne samo da razvija kognitivnu aktivnost učenika, već se i usavršava. Za aktivnu upotrebu IKT-a u učionici, nastavnik mora ovladati određenim vještinama:

obrađivati tekstualne, digitalne, grafičke i zvučne informacije uz pomoć odgovarajućih urednika za pripremu didaktičkih materijala;

kreirajte slajdove za materijal za učenje koristeći uređivač prezentacija (MS PowerPoint), demonstrirajte prezentaciju u lekciji;

koriste dostupne gotove softverske proizvode u svojoj disciplini;

organizovati rad sa elektronski udžbenik na lekciji;

traženje informacija na internetu u procesu pripreme za nastavu i vannastavne aktivnosti;

organizovati rad sa učenicima na pronalaženju potrebnih informacija u globalnoj mreži direktno na času;

rad u nastavi s materijalima sa web stranica.

U zaključku, napominjem da savremenim uslovima pedagoški je zadatak oduprijeti se prekomjernom uvođenju IKT-a u proces nastave fizike, kako ne bi zasjenili pravu eksperimentalnu prirodu šarenim ilustracijama i modelima fizičke nauke, ne zaboravite "živi" eksperiment.

Solenoidno vektorsko polje

Definicija

Vektorsko polje se zove solenoidalni ili eddy, ako kroz bilo koju zatvorenu površinu S njen protok je nula:

∫ S a → ⋅ d s → = 0 (\displaystyle \int \limits _(S)(\vec (a))\cdot (\vec (ds))=0) .

Ako je ovaj uslov zadovoljen za bilo koje zatvoreno S u nekom području (podrazumevano - svuda), onda je ovaj uslov ekvivalentan činjenici da je divergencija jednaka nuli vektorsko polje a → (\displaystyle (\vec (a))) :

D i v a → ≡ ∇ ⋅ a → = 0 (\displaystyle \mathrm (div) \,(\vec (a))\equiv \nabla \cdot (\vec (a))=0)

svuda u ovoj regiji (pretpostavlja se da divergencija postoji svuda u ovoj regiji). Stoga se nazivaju i solenoidna polja bez divergentnosti .

Za široku klasu domena, ovaj uslov je zadovoljen ako i samo ako a → (\displaystyle (\vec (a))) ima vektorski potencijal, odnosno postoji neko takvo vektorsko polje A → (\displaystyle (\vec (A))) (vektorski potencijal) da se a → (\displaystyle (\vec (a))) može izraziti kao njegov rotor:

A → = ∇ × A → ≡ r o t A → . (\displaystyle (\vec (a))=\nabla \times (\vec (A))\equiv \mathrm (trulež) \,(\vec (A)).)

Drugim riječima, polje je vrtložno ako nema izvora. Linije sile takvog polja nemaju ni početak ni kraj i zatvorene su. Vrtložno polje nastaje ne naelektrisanjem u mirovanju (izvori), već promjenom polja povezanog s njim (na primjer, za električno polje, ono se stvara promjenom magnetnog polja). Pošto u prirodi nema magnetnih naboja, magnetno polje uvijek je vrtlog, a njegove linije sile su uvijek zatvorene. Linije sile stalnog magneta, uprkos činjenici da izlaze iz njegovih polova (kao da imaju izvore unutra), zapravo su zatvorene unutar magneta. Stoga, presijecanjem magneta na dva dijela, neće biti moguće dobiti dva odvojena magnetna pola.

Primjeri

Polje vektora magnetske indukcije (slijedi iz Maxwellovih jednadžbi, tačnije iz Gaussove teoreme za magnetsko polje).
Polje brzine nestišljivog fluida (slijedi iz jednadžbe kontinuiteta za ∂ ρ / ∂ t = 0 (\displaystyle \partial \rho /\partial t=0)).
Električno polje u područjima gdje nema izvora (naelektrisanja). Za solenoidalnost polja E odsustvo (ili međusobna kompenzacija) besplatnih i vezanih naknada je neophodno. Za solenoidnost D odsustvo samo besplatnih naknada je dovoljno.
Polje vektora gustine struje je solenoidno ako nema promene u gustoći naelektrisanja tokom vremena (tada solenoidalnost gustine struje sledi iz jednačine kontinuiteta).

Etimologija

Riječ solenoidalni dolazi iz grčkog solenoid(σωληνοειδές, sōlēnoeidēs), što znači "nalik na lulu" ili "kao u luli", koji sadrži riječ σωλην (Solen) - cijev. U ovom kontekstu, to znači fiksiranje volumena za model tekućeg fluida, odsustvo izvora i ponora (kao kod toka u cijevi, gdje se novi fluid ne pojavljuje i ne nestaje).

Opis instalacije

U ovom radu korišćeni su sledeći uređaji (vidi sliku 13.1, b i 13.2, a): neonska lampa N; izvor energije U 0; voltmetar V; ampermetar ALI; osciloskop koji se koristi za posmatranje oblika relaksacionih oscilacija i merenje parametara signala.

Vježbajte

1. Sastavite kolo prema sl.13.1, in. mijenja U 0, uklonite prednju i obrnutu granu CVC-a neonske lampe. Definiraj U h i U d. Stopa R i goruća lampa na dvije eksperimentalne tačke.

2. Sastavite kolo prema sl.13.2, a. Dobijte stabilnu sliku relaksacionih oscilacija na ekranu osciloskopa i nacrtajte je u radnom dnevniku.

3. Izmjerite amplitudu oscilacija pomoću osciloskopa.

4. Istražiti zavisnosti perioda oscilovanja T iz parametara šeme:

a) otkloniti ovisnost T od R at fixed U 0 =U 01 i C= C 1 ;

b) otkloniti ovisnost T od C at fixed U 0 = U 01 i R= R 1 .

5. Koristite sklopljeni relaksacioni generator kao sweep generator, za koji prebacite osciloskop na dvokanalni način rada " X – Y” i primijeni sinusni signal iz GSK generatora na drugi kanal. Nakon što ste uhvatili frekvenciju GSK sinusoidnog signala, dobijete stabilnu sliku na ekranu osciloskopa i skicirajte je u laboratorijskom dnevniku. Isključujući relaksacioni generator, primijenite isti GSK signal na prvi kanal osciloskopa i, uključivši generator sweep-a, dobijete stabilnu sliku sweep signala na ekranu, skicirajte je u laboratorijskom dnevniku. Objasnite kvalitativnu razliku između slika.

6. Konstruirajte graf CVC-a neonske lampe. Iz grafikona odredite unutrašnji otpor zapaljene neonske lampe R i = = dU/dI za U, nešto manji od U h.

7. Iscrtajte grafove zavisnosti T= T(R),T= T(C). Na istim grafovima konstruirajte teorijske zavisnosti koristeći formulu (13.2).

test pitanja

1. Šta su relaksacione oscilacije?

2. Recite nam o karakteristikama strujno-naponskih karakteristika neonske lampe.

3. Koliki je unutrašnji otpor lampe i kako ga pronaći iz strujno-naponske karakteristike?

4. Izvedite formulu (13.1).

5. Objasniti princip rada relaksacionog generatora prikazanog na slici 13.2, a.

6. Kakav oblik imaju relaksacione oscilacije u ovom radu?

7. Koliki bi trebao biti odnos između otpora i unutrašnjeg otpora neonske lampe koja gori i koja ne gori da bi period oscilovanja bio određen formulom (13.2)?

8. Kako možete promijeniti period oscilovanja?

9. Kako se može promijeniti amplituda oscilacija?

10. Iz kojih razloga je izabran U u generatoru?

11. Koji je talasni oblik generatora sweep-a u osciloskopu? Da li je moguće koristiti generator za opuštanje kao generator sweep-a? Kako je oblik proučavanog signala izobličen i zašto?

Rad 14 vrtlog električnog polja

Cilj: proučavanje svojstava vrtložnog električnog polja.

Uvod

Iz Maxwellovih jednadžbi slijedi da magnetsko polje koje se mijenja u vremenu stvara električno polje. Odgovarajuća jednačina je zapisana kao

, (14.1)

gdje E- vektor jačine električnog polja, B- vektor magnetne indukcije. Ista jednadžba u integralnom obliku primijenjena na solenoid koristeći cilindrični sistem koordinata izgleda ovako:

, (14.2)

gdje - obodna komponenta jačine električnog polja;

je aksijalna komponenta magnetske indukcije, a integrali su preuzeti preko zatvorene petlje l i na površini S na osnovu ove konture.

Rad koristi vrtložno električno polje solenoida kroz koje teče naizmjenična struja. struja. Mjerenja vrtložnog električnog polja vrše se u presjeku okomitom na osu solenoida, koji prolazi kroz njegovu sredinu. Dužina solenoida je mnogo veća od njegovog prečnika, stoga u prvoj aproksimaciji možemo pretpostaviti da imamo posla sa beskonačno dugim solenoidom.

Poznato je da je magnetno polje unutar beskonačnog solenoida homogeno i da je njegova magnetna indukcija određena formulom:

, (14.3)

gdje je  relativna magnetna permeabilnost tvari (za zrak  = 1,0000004);  0 = 1,26 10–6 H/m - magnetna konstanta; n - broj zavoja solenoida po jedinici njegove dužine, I- jačina struje u solenoidu (razmatra se kvazistacionarna struja). Izvan solenoida, magnetna indukcija je zanemarljiva.

Jednačina (14.2) je uvelike pojednostavljena ako se radi o površini S uzeti krug sa radijusom r, čiji je centar na osi solenoida, a ravan je okomita na ovu osu. U ovom slučaju L je krug sa poluprečnikom r. Budući da je vrijednost  B z / t je homogen unutar beskonačnog solenoida i praktično jednak nuli izvan njega, tada je desni integral jednak:

gdje R je poluprečnik solenoida.

Integral na lijevoj strani jednačine (14.2) zbog aksijalne simetrije problema jednak je E  2 r. Kao rezultat, nakon jednostavnih transformacija, dobijamo sljedeći izraz za modul jakosti električnog polja vrtloga:

(14.4)

Jer  B z / t ne zavisi od r, tada je intenzitet vrtložnog električnog polja proporcionalan udaljenosti r od ose solenoida na r< R i obrnuto proporcionalna r at r R.

U slučaju kada se struja solenoida mijenja po sinusnom zakonu

Definicija fizike

Vrtložno električno polje je

Ksyulyonok havelev

VORTEX ELEKTRIČNO POLJE

Razlog za pojavu električne struje u nepokretnom vodiču je električno polje.
Svaka promjena magnetskog polja stvara induktivno električno polje, bez obzira na prisustvo ili odsustvo zatvorenog kola,
štaviše, ako je provodnik otvoren, tada na njegovim krajevima nastaje razlika potencijala;
ako je provodnik zatvoren, tada se u njemu opaža indukcijska struja. Indukcijsko električno polje je vrtložno.
Smjer linija sile vrtloga el. polje se poklapa sa smjerom indukcijske struje
Indukcijsko električno polje ima potpuno drugačija svojstva za razliku od
od elektrostatičkog polja.

Upotreba vrtložnih struja: zagrijavanje i topljenje metala u vakuumu;
prigušivači u električnim mjernim instrumentima.

Štetno djelovanje vrtložnih struja: gubici energije u jezgri transformatora i generatora
zbog oslobađanja velike količine toplote.

Kako nastaje elektromotorna sila u provodniku koji je u naizmjeničnom magnetskom polju? Što je vrtložno električno polje, njegova priroda i uzroci? Koja su glavna svojstva ovog polja? Na sva ova i mnoga druga pitanja naći ćete odgovore u današnjoj lekciji.

Tema: Elektromagnetna indukcija

lekcija:Vrtložno električno polje

Podsjetimo da Lenzovo pravilo omogućuje određivanje smjera indukcijske struje u krugu koji se nalazi u vanjskom magnetskom polju s promjenjivim fluksom. Na osnovu ovog pravila bilo je moguće formulisati zakon elektromagnetna indukcija.

Zakon elektromagnetne indukcije

Kada se magnetni fluks koji prodire u područje kola promijeni, u ovom krugu nastaje elektromotorna sila, numerički jednaka brzini promjene magnetskog fluksa, uzeta sa predznakom minus.

Kako nastaje ova elektromotorna sila? Ispada da je EMF u vodiču, koji je u naizmjeničnom magnetskom polju, povezan s pojavom novog objekta - vrtložno električno polje.

Uzmite u obzir iskustvo. Postoji zavojnica od bakarne žice u koju je umetnuto željezno jezgro kako bi se povećalo magnetsko polje zavojnice. Zavojnica je spojena preko vodiča na izvor naizmjenične struje. Tu je i namotaj žice postavljen na drvenu podlogu. Na ovu zavojnicu je spojena električna sijalica. Materijal žice je prekriven izolacijom. Baza zavojnice je napravljena od drveta, odnosno od materijala koji ne provodi struju. Okvir zavojnice je takođe napravljen od drveta. Tako je isključena svaka mogućnost kontakta sijalice sa strujnim kolom spojenim na izvor struje. Kada je izvor zatvoren, sijalica se pali, pa u zavojnici teče električna struja - što znači da vanjske sile u ovoj zavojnici rade. Potrebno je otkriti odakle dolaze sile treće strane.

Magnetno polje koje prodire u ravninu zavojnice ne može uzrokovati pojavu električnog polja, jer magnetsko polje djeluje samo na pokretne naboje. Prema elektronskoj teoriji provodljivosti metala, unutar njih se nalaze elektroni koji se mogu slobodno kretati unutra kristalna rešetka. Međutim, ovo kretanje u odsustvu vanjskog električnog polja je nasumično. Takva slučajnost dovodi do činjenice da je ukupni učinak magnetskog polja na provodnik sa strujom jednak nuli. Na taj način se elektromagnetno polje razlikuje od elektrostatičkog polja, koje djeluje i na stacionarna naelektrisanja. Dakle, električno polje djeluje na pokretna i stacionarna naelektrisanja. Međutim, vrsta električnog polja koja je ranije proučavana stvara se samo električnim nabojima. Indukcijska struja, zauzvrat, nastaje izmjeničnim magnetskim poljem.

Pretpostavimo da se elektroni u vodiču dovode u uredan pokret nekom novom vrstom električnog polja. A ovo električno polje nije stvoreno električnim nabojem, već naizmjeničnim magnetskim poljem. Faraday i Maxwell došli su na sličnu ideju. Glavna stvar u ovoj ideji je da magnetsko polje koje se mijenja u vremenu stvara električno. Explorer sa dostupnim slobodnih elektrona omogućava vam da pronađete ovo polje. Ovo električno polje pokreće elektrone u provodniku. Fenomen elektromagnetne indukcije sastoji se ne toliko u pojavi induktivne struje, koliko u pojavi nove vrste električnog polja, koje pokreće električne naboje u vodiču (slika 1).

Vrtložno polje se razlikuje od statičkog. Ne stvaraju ga nepokretna naelektrisanja, stoga linije intenziteta ovog polja ne mogu početi i završiti na naboju. Prema istraživanjima, linije jačine vrtložnog polja su zatvorene linije, slične linijama indukcije magnetnog polja. Dakle, ovo električno polje je vrtložno – isto kao i magnetsko polje.

Drugo svojstvo tiče se rada snaga ovog novog polja. Proučavajući elektrostatičko polje, ustanovili smo da je rad sila elektrostatičkog polja u zatvorenoj petlji jednak nuli. Budući da kada se naboj kreće u jednom smjeru, pomak i djelujuća sila su kousmjereni i rad je pozitivan, onda kada se naboj kreće u obrnuti smjer pomak i sila djelovanja su suprotno usmjereni i rad je negativan, ukupni rad će biti jednak nuli. U slučaju vrtložnog polja, rad u zatvorenoj petlji bit će različit od nule. Dakle, kada se naboj kreće duž zatvorene linije električnog polja koje ima vrtložni karakter, rad u različitim odsjecima će održavati konstantan predznak, budući da će sila i pomak u različitim dijelovima putanje održavati isti smjer u odnosu na svaki ostalo. Rad sila vrtložnog električnog polja u kretanju naboja duž zatvorene petlje je različit od nule, stoga, vrtložno električno polje može generirati električnu struju u zatvorenoj petlji, što se poklapa s eksperimentalnim rezultatima. Tada se može tvrditi da je sila koja djeluje na naboje iz vrtlog polja jednaka proizvodu prenesenog naboja i jačine ovog polja.

Ova sila je vanjska sila koja radi. Rad ove sile, vezan za vrijednost prenesenog naboja, je EMF indukcije. Smjer vektora intenziteta vrtložnog električnog polja u svakoj tački linija intenziteta određen je Lenzovim pravilom i poklapa se sa smjerom indukcijske struje.

U fiksnom kolu, smještenom u naizmjeničnom magnetskom polju, nastaje indukcijska električna struja. Magnetno polje samo po sebi ne može biti izvor stranih sila, jer može djelovati samo na uredno pokretne električne naboje. Ne može postojati elektrostatičko polje, jer ga stvaraju fiksni naboji. Nakon pretpostavke da vremenski promjenjivo magnetsko polje stvara električno polje, saznali smo da je ovo promjenjivo polje vrtložne prirode, odnosno da su njegove linije zatvorene. Rad vrtložnog električnog polja u zatvorenoj petlji je različit od nule. Sila koja djeluje na preneseni naboj sa strane vrtložnog električnog polja jednaka je vrijednosti ovog prenesenog naboja, pomnoženoj sa jačinom vrtložnog električnog polja. Ova sila je ona sila treće strane koja dovodi do pojave EMF-a u kolu. Elektromotorna sila indukcije, odnosno omjer rada vanjskih sila i veličine prenesenog naboja, jednaka je brzini promjene magnetskog fluksa uzetog sa predznakom minus. Smjer vektora intenziteta vrtložnog električnog polja u svakoj tački linija intenziteta određen je Lenzovim pravilom.

Kasyanov V.A., Fizika 11. razred: Udžbenik. za opšte obrazovanje institucije. - 4. izd., stereotip. - M.: Drfa, 2004. - 416 str.: ilustr., 8 str. col. uklj.
Gendenstein L.E., Dick Yu.I., Physics 11. - M.: Mnemosyne.
Tikhomirova S.A., Yarovsky B.M., Fizika 11. - M.: Mnemosyne.

Elektronski udžbenik fizike ().
Cool fizika ().
Xvatit.com().

Kako objasniti činjenicu da udar groma može otopiti osigurače, onemogućiti osjetljive električne uređaje i poluvodičke uređaje?
* Kada se prsten otvorio u zavojnici pojavio se EMF samoindukcije od 300 V. Koliki je intenzitet vrtložnog električnog polja u zavojima zavojnice ako je njihov broj 800, a poluprečnik zavoja 4 cm?

Dakle, popravimo ono što smo već naučili. Sve naše formule mogu se izvesti iz nekoliko iskaza.

Izjava 1.

Matematička formulacija ove tvrdnje je Ostrogradski - Gaussova teorema za jačinu električnog polja

Na desnoj strani je integral gustine naelektrisanja preko proizvoljnog volumena, koji je jednak ukupnom naboju unutar njega. Na lijevoj strani - tok vektora jakosti električnog polja kroz proizvoljnu zatvorenu površinu koja ograničava ovu zapreminu. Kao što smo vidjeli, Coulombov zakon je također sadržan u ovoj jednačini.

Izjava 2.

Magnetna naelektrisanja ne postoje u prirodi.

Matematička formulacija ove tvrdnje je Ostrogradski - Gaussova teorema za vektor magnetske indukcije, na čijoj desnoj strani se nalazi nula

Izjava 3.

Matematički, ovo se izražava kao jednakost nuli cirkulacije jačine elektrostatičkog polja duž proizvoljne konture

Izjava 4.

Matematički izraz ove tvrdnje je teorema o cirkulaciji vektora magnetske indukcije

Na lijevoj strani je kruženje magnetskog polja duž proizvoljne konture L, a desno - integral ukupne gustine struje preko proizvoljne površine S obuhvaćen ovom konturom. Ovaj integral jednak je zbiru struja koje prelaze površinu S. Ova jednadžba sadrži Biot-Savart-Laplaceov zakon.

Ove četiri jednadžbe moraju biti dopunjene izrazom za Lorentzovu silu koja djeluje na pokretne naboje iz elektromagnetnih polja

Pažljivi čitalac će primijetiti da su naslovi na dva najnovije izjave istaknuto drugim fontom. Ovo nije učinjeno slučajno: ove izjave su podložne izmjenama. Činjenica je da smo se, otkako smo formulisali ove četiri tvrdnje, upoznali sa još jednim fenomenom - elektromagnetnom indukcijom. To se još nije odrazilo u pisanim jednačinama. Hajde da to uradimo.

Ako magnetni tok kroz provodni kalem L promjene, tada u zavojnici nastaje EMF indukcije. Šta to znači? Naelektrisanja u provodniku će iskusiti silu povezanu sa ovim EMF. Ali pojava sile koja djeluje na naboj znači pojavu neke vrste električnog polja. Cirkulacija ovog polja duž zavojnice je tačno jednaka, po definiciji, indukcijskoj emf

Razlika cirkulacije od nule znači da ovo električno polje nije potencijalno, već ima vortex karakter, poput magnetnog polja. Ali ako se takvo polje pojavi, kakva je onda uloga zavojnice? Zavojnica nije ništa drugo do zgodan detektor za registrovanje vrtložnog električnog polja na osnovu indukcijske struje koja je nastala. Da bismo se u potpunosti rastali od zavojnice, indukcioni EMF izražavamo kroz fluks magnetskog polja. Prepišimo Faradejev zakon u obliku

Kombinujući ovu jednačinu sa (9.6), dolazimo do modifikovane tvrdnje 3 (slika 9.1).

Izjava 5.

Rice. 9.1. Zakon elektromagnetne indukcije u Maxwellovoj interpretaciji:
promjenjivo magnetsko polje stvara vrtložno električno polje

Matematički, ovo se izražava kao jednačina

Ova jednadžba sadrži Faradejev zakon elektromagnetne indukcije.

Ovdje trebamo biti malo oprezni: budući da imamo dodatno električno polje, neće li to promijeniti prvi iskaz? Na sreću, odgovor je ne: tok vrtložnog polja kroz zatvorenu površinu je nula, tako da ovo polje neće doprinijeti lijevoj strani jednačine (9.1).

Čini se da smo već uzeli u obzir sve pojave koje su nam poznate. Zašto smo onda označili četvrtu jednačinu kao da zahtijeva modifikaciju? Činjenica je da je simetrija između električnih i magnetnih fenomena sada narušena. Pretpostavimo da u sistemu nema naelektrisanja ili struje. Može li tada postojati elektromagnetno polje? Znamo odgovor od savremeni život: možda! Oni su elektromagnetnih talasa, koji se šire u svemiru i za to im nije potreban nikakav medij. U odsustvu naboja i struja, prve dvije jednadžbe (9.1) i (9.2) su potpuno simetrične. Isto se ne može reći za drugi par jednačina. Može li se električno (vorteksno) polje generirati bez naboja, jednostavnom promjenom magnetnog polja? Zašto se magnetsko polje ne može stvoriti ne strujama, već promjenom električnog polja?

Iz Faradejevog zakona (vidi (123.2)) slijedi da bilo koji promjena toka magnetske indukcije spojene na krug dovodi do pojave elektromotorne sile indukcije i, kao rezultat, pojavljuje se indukcijska struja. Dakle, pojava emf. elektromagnetna indukcija je moguća i u fiksnom kolu,

smeštene u naizmeničnom magnetnom polju. Međutim, emf. u bilo kom kolu se javlja samo kada spoljne sile deluju na nosioce struje u njemu - sile neelektrostatičkog porekla (videti § 97). Stoga se postavlja pitanje o prirodi vanjskih sila u ovom slučaju.

Iskustvo pokazuje da ove strane sile nisu povezane ni sa termičkim ni sa hemijskim procesima u kolu; njihov nastanak se također ne može objasniti Lorentzovim silama, jer one ne djeluju na nepokretne naboje. Maxwell je pretpostavio da svako naizmjenično magnetsko polje pobuđuje električno polje u okolnom prostoru, što je uzrok indukcijske struje u kolu. Prema Maxwellovim zamislima, kolo u kojem se pojavljuje emf igra sekundarnu ulogu, jer je neka vrsta jedinog "uređaja" koji detektuje ovo polje.

Dakle, prema Maxwellu, magnetsko polje koje se mijenja u vremenu stvara električno polje E B čija cirkulacija, prema (123.3),

gdje je E B l - projekcija vektora E B na pravac dl.

Zamjenom u formulu (137.1) izraz (vidi (120.2)), dobijamo

Ako su površina i kontura fiksni, tada se operacije diferencijacije i integracije mogu zamijeniti. shodno tome,

(137.2)

gdje simbol parcijalnog izvoda naglašava činjenicu da je integral funkcija samo vremena.

Prema (83.3), cirkulacija vektora jačine elektrostatičkog polja (označavamo ga sa E Q) duž bilo koje zatvorene konture jednaka je nuli:

(137.3)

Upoređujući izraze (137.1) i (137.3), vidimo da postoji fundamentalna razlika između razmatranih polja (E B i E Q): cirkulacija vektora E B, za razliku od

cirkulacija vektora E Q nije jednaka nuli. Dakle, električno polje E B , pobuđen magnetnim poljem, kao i samo magnetno polje (videti § 118), jeste vortex.

Bias current

Prema Maxwellu, ako bilo koje naizmjenično magnetsko polje pobuđuje vrtložno električno polje u okolnom prostoru, tada mora postojati i suprotan fenomen: svaka promjena električnog polja mora uzrokovati pojavu vrtložnog magnetnog polja u okolnom prostoru. Da bi uspostavio kvantitativne odnose između promjenjivog električnog polja i magnetskog polja uzrokovanog njime, Maxwell je uveo tzv. .

Zamislite kolo naizmjenične struje koje sadrži kondenzator (Sl. 196). Između ploča kondenzatora za punjenje i pražnjenje postoji naizmjenično električno polje, stoga, prema Maxwellu, struje prednapona "teče" kroz kondenzator, skrivajući se u onim područjima gdje nema vodiča.

Nađimo kvantitativni odnos između promjenjivog električnog polja i magnetskih polja koje ono uzrokuje. Prema Maxwellu, naizmjenično električno polje u kondenzatoru u svakom trenutku vremena stvara takvo magnetsko polje kao da postoji struja provodljivosti između ploča kondenzatora, jednaka struji u dovodnim žicama. Tada se može tvrditi da su struje vodljivosti (I) i pomaci (I cm) jednaki: I cm \u003d I.

Struja provodljivosti u blizini ploča kondenzatora

,(138.1)

(površinska gustina naelektrisanja s na pločama jednaka je električnom pomaku D u kondenzatoru (vidi (92.1)). Integrand u (138.1) se može smatrati posebnim slučajem tačkasti proizvod, kada su i dS međusobno

su paralelne. Stoga, za opšti slučaj možemo pisati

Upoređujući ovaj izraz sa (vidi (96.2)), imamo

Maxwell je izraz (138.2) nazvao gustinom struje pomaka.

Razmotrimo koji je smjer vektora gustine provodnih struja i pomaka j i j, vidi Prilikom punjenja kondenzatora (slika 197, c) kroz provodnik koji povezuje ploče struja teče od desne ploče do lijevo; polje u kondenzatoru je pojačano, dakle, vektor je usmjeren u istom smjeru kao D . Sa slike se vidi da se pravci vektora i j poklapaju. Prilikom pražnjenja kondenzatora (Sl. 197, b) kroz provodnik koji povezuje ploče struja teče s lijeve strane

podstava desno; polje u kondenzatoru je oslabljeno; shodno tome,<0, т. е.

vektor je usmjeren suprotno vektoru D. Međutim, vektor je opet usmjeren

isto što i vektor j. Iz analiziranih primjera proizilazi da se smjer vektora j, dakle, i vektora j cm poklapa sa smjerom vektora, kao što slijedi iz formule (138.2).

Naglašavamo da je od svih fizičkih svojstava svojstvenih struji provodljivosti. Maksvel je struji pomeranja pripisao samo jednu stvar - sposobnost stvaranja magnetnog polja u okolnom prostoru. Tako struja pomaka (u vakuumu ili materiji) stvara magnetno polje u okolnom prostoru (linije indukcije magnetnih polja struja pomeranja tokom punjenja i pražnjenja kondenzatora prikazane su na slici 197 isprekidanim linijama).

U dielektricima je struja pomaka od dva mandata. Pošto je, prema (89.2), D= , gdje je E jačina elektrostatičkog polja, a P polarizacija (vidi § 88), tada je gustina struje pomaka

, ( 138.3)

gdje je gustoća struje pomaka u vakuumu, je gustoća polarizacijske struje - struja zbog uređenog kretanja električnih naboja u dielektriku (pomicanje naboja u nepolarnim molekulima ili rotacija dipola u polarnim molekulima). Pobuđivanje magnetskog polja polarizacijskim strujama je legitimno, budući da se polarizacijske struje po svojoj prirodi ne razlikuju od struja provodljivosti. Međutim, činjenica da drugi dio gustine struje pomaka nije povezan s kretanjem naboja, već zbog samo promjena električnog polja tokom vremena, također pobuđuje magnetno polje, je fundamentalno nova izjava Maxwell. Čak i u vakuumu, svaka promjena vremena električnog polja dovodi do pojave magnetnog polja u okolnom prostoru.

Treba napomenuti da je naziv "struja pomjeranja" uvjetovan, odnosno povijesno utemeljen, budući da je struja pomaka u svojoj suštini električno polje koje se mijenja s vremenom. Struja pomaka stoga postoji ne samo u vakuumu ili dielektricima, već i unutar provodnika koji vode naizmjeničnu struju.

Međutim, u ovom slučaju, ona je zanemariva u poređenju sa strujom provodljivosti. Prisustvo struja pomaka je eksperimentalno potvrdio A. A. Eikhenvald, koji je proučavao magnetsko polje polarizacijske struje, koja je, kako slijedi iz (138.3), dio struje pomaka.

Maxwell je predstavio koncept puna struja, jednak zbiru struja provodljivosti (kao i konvekcijskih struja) i pomaka. Ukupna gustina struje

Upoznavanje pojmova struje pomaka i ukupne struje. Maxwell je pristupio razmatranju zatvaranja kola naizmjenične struje na nov način. Ukupna struja u njima je uvijek zatvorena, odnosno prekida se samo struja provodljivosti na krajevima vodiča, a u dielektriku (vakumu) između krajeva vodiča postoji struja pomaka koja zatvara struju provodljivosti.

Maxwell je generalizirao teoremu o cirkulaciji vektora H (vidi (133.10)), uvodeći ukupnu struju u njegovu desnu stranu kroz površinu S , rastegnut preko zatvorene petlje L . Tada se generalizovana teorema cirkulacije za vektor H može zapisati kao

(138.4)

Izraz (138.4) je uvijek istinit, a dokaz je potpuna korespondencija između teorije i iskustva.