Az álló vezetőben az elektromos áram előfordulásának oka az elektromos tér. A mágneses tér bármilyen változása induktív elektromos teret hoz létre, függetlenül a zárt áramkör meglététől vagy hiányától, míg ha a vezető nyitott, akkor potenciálkülönbség keletkezik a végein; ha a vezető zárva van, akkor indukciós áram figyelhető meg benne.

Az indukciós elektromos tér örvény. Az örvény erővonalainak iránya el. mezők egybeesnek az iránnyal indukciós áram Az indukciós elektromos tér teljesen eltérő tulajdonságokkal rendelkezik, ellentétben elektrosztatikus mező.

elektrosztatikus mező	indukciós elektromos tér (örvény elektromos tér)
1. mozdulatlan elektr. díjakat	1. a mágneses tér változásai okozzák
2. térerővonalak nyitottak - - potenciáltér	2. az erővonalak zártak - - örvénytér
3. A mező forrásai az elektromos. díjakat	3. mezőforrások nem adhatók meg
4. a térerők munkája a próbatöltés zárt úton történő mozgatásakor = 0.	4. a térerők munkája a teszttöltés zárt úton történő mozgására \u003d indukciós EMF

Légörvény

A hatalmas vezetőkben lévő induktív áramokat Foucault-áramoknak nevezzük. A Foucault-áramok igen nagy értékeket érhetnek el, mert a masszív vezetők ellenállása kicsi, ezért a transzformátorok magjai szigetelt lemezekből készülnek. A ferritekben - mágneses szigetelőkben - örvényáramok gyakorlatilag nem fordulnak elő.

Örvényáramok használata

Fémek hevítése, olvasztása vákuumban, lengéscsillapítók elektromos mérőműszerekben.

Az örvényáramok káros hatásai

Ezek energiaveszteségek a transzformátorok és generátorok magjában a kioldás miatt egy nagy szám hőség.

ÖNINDUKCIÓ

Minden vezető, amelyen elektromos áram folyik, a saját mágneses mezőjében van.

Amikor az áramerősség változik a vezetőben, megváltozik az m.tér, azaz. változtatások mágneses fluxus ez az áram generálja. A mágneses fluxus változása örvény elektromos mező kialakulásához vezet, és az áramkörben indukciós EMF jelenik meg. Ezt a jelenséget önindukciónak nevezik. Önindukció - az indukciós EMF jelensége egy elektromos áramkörben az áramerősség változása következtében. A kapott emf-et önindukciós emf-nek nevezzük.

Az önindukció jelenségének megnyilvánulása

Az áramkör lezárása Egy áramkör zárásakor az áramerősség növekszik, ami a tekercsben a mágneses fluxus növekedését okozza, örvénylő elektromos mező keletkezik, amely az áram ellen irányul, pl. a tekercsben önindukciós EMF lép fel, ami megakadályozza az áram emelkedését az áramkörben (az örvénytér lelassítja az elektronokat). Ennek eredményeként L1 később világít, mint az L2.

Nyitott áramkör Az elektromos áramkör nyitásakor az áramerősség csökken, a tekercsben csökken a m.áramlás, örvényszerű elektromos tér jelenik meg, áramként irányítva (azonos áramerősség fenntartására hajlamos), pl. A tekercsben megjelenik egy öninduktív emf, amely fenntartja az áramkörben lévő áramot. Ennek eredményeként az L kikapcsolt állapotban fényesen villog. Következtetés az elektrotechnikában, az önindukció jelensége az áramkör zárásakor (az elektromos áram fokozatosan növekszik) és az áramkör nyitásakor (az elektromos áram nem tűnik el azonnal).

INDUKTANCE

Mitől függ az önindukció EMF-je? Az elektromos áram létrehozza a saját mágneses terét. Az áramkörön áthaladó mágneses fluxus arányos a mágneses tér indukciójával (Ф ~ B), az indukció arányos a vezetőben lévő áramerősséggel (B ~ I), ezért a mágneses fluxus arányos az áramerősséggel (Ф ​​~ I ). Az önindukció EMF függ az áramerősség változásának sebességétől az elektromos áramkörben, a vezető tulajdonságaitól (mérete és alakja), valamint a közeg relatív mágneses permeabilitása, amelyben a vezető található. Fizikai mennyiség, amely az önindukció EMF-jének a vezető méretétől és alakjától, valamint a vezető elhelyezkedésének környezetétől való függését mutatja, önindukciós együtthatónak vagy induktivitásnak nevezzük. Induktivitás - fizikai. számszerűen megegyező érték az önindukció EMF-jével, amely akkor lép fel az áramkörben, ha az áramerősség 1 amperrel 1 másodperc alatt megváltozik. Ezenkívül az induktivitás kiszámítható a következő képlettel:

ahol F az áramkörön áthaladó mágneses fluxus, I az áramerősség az áramkörben.

Az induktivitás SI mértékegységei:

A tekercs induktivitása függ: a fordulatok számától, a tekercs méretétől és alakjától, valamint a közeg relatív mágneses permeabilitását (mag lehetséges).

ÖNINDUKCIÓS EMF

Az önindukciós EMF megakadályozza az áramerősség növekedését az áramkör bekapcsolásakor és az áramerősség csökkenését az áramkör nyitásakor.

Mind között akadémiai diszciplínák a fizika a leginkább számítógépezhető tantárgy. Az információs technológiák felhasználhatók elméleti anyagok tanulmányozására, képzésre, modellezési és vizualizációs eszközként stb. A választás az óra céljaitól, célkitűzéseitől és szakaszától függ (magyarázat, konszolidáció, az anyag ismétlése, tudásfelmérés stb.).

A gyerekek fizikát tanítva a tantárgy iránti érdeklődés csökkenését, ezzel párhuzamosan a tudásszint csökkenését figyeljük meg. Ezt a problémát a képi anyag hiányával, az eszközök hiányával, magának a tárgynak a bonyolultságával magyaráztam. A felmerülő problémák az emberi tudás rohamosan és folyamatosan bővülő mennyiségével is összefüggenek. Olyan körülmények között, amikor az információ mennyisége néhány évente megduplázódik, a klasszikus tankönyv és a tanár elkerülhetetlenül az elavult tudás szállítójává válik. De azt is megjegyeztem, hogy rohamosan növekszik a számítógépet használni tudó gyerekek száma, és ez a tendencia paradigmától függetlenül felgyorsul. iskolai oktatás. Felmerült bennem a kérdés, hogy a számítógép új pedagógiai lehetőségeit miért ne lehetne tanítási eszközként használni.

Számítógép a diákok számára - mint új információforrás és mint szellemi eszköz és általában - kognitív tevékenység. A számítógépen végzett munka is kifejleszthet (és kell is) ilyeneket személyes tulajdonságok, mint reflexivitás, információkritikusság, felelősségvállalás, önálló döntési képesség, végül tolerancia és kreativitás, kommunikációs készség.

A tanári számítógép modern eszköz a fejlesztő nevelés új formáinak megszervezésének didaktikai problémáinak megoldására.

jegyzet a számítógépek általános jelentősége oktatási folyamat . Ők:

Illesszen bele a hagyományos tanulásba.

Sikeresen használják őket különféle tartalmú és szervezett oktatási és tanórán kívüli tevékenységekben.

Hozzájárulnak a tanuló aktív részvételéhez az oktatási folyamatban, fenntartják az érdeklődést.

A számítógép didaktikai jellemzői:

Információs gazdagság.

A meglévő időbeli és térbeli határok leküzdésének képessége.

Mély behatolás lehetősége a vizsgált jelenségek, folyamatok lényegébe.

A vizsgált jelenségek megjelenítése a fejlődésben, dinamikában.

A valóság a valóság tükörképe.

Expresszivitás, kifejező technikák gazdagsága, érzelmi gazdagság.

A számítógépes képességek ilyen gazdagsága lehetővé teszi számunkra, hogy közelebbről is megvizsgáljuk azt, mint új didaktikai eszközt.

Fizika leckék levezetésekor használható a következő IKT-típusok:

multimédiás előadások,

videók és klipek,

fizikai folyamatokat szimuláló animációk,

elektronikus tankönyvek,

képzési programok

szimulátor programok (vizsgára való felkészüléshez),

internetes oldalakkal dolgozni

fizikai laboratórium L-micro.

Az órák levezetése során az IKT használatának legelterjedtebb formája a multimédiás prezentáció. Az ilyen típusú óratámogatás lehetővé teszi, hogy a tanult anyag legfontosabb elemeire összpontosítson, beleértve az animációkat és a videoklipeket. Ezenkívül a multimédiás prezentációkat a hallgatók prezentációk és üzenetek készítésekor, illetve védekezéskor használják kutatómunka. Amikor prezentációt készít egy leckére, a következő jellemzőket kell figyelembe venni:

a prezentáció legyen vizuális, a dia ne tartalmazzon sok szöveget, a szöveg legyen nagy és könnyen olvasható;

az előadás legyen illusztrált: tartalmazzon rajzokat, fényképeket, diagramokat;

a diák számát korlátozni kell (15-20 dia);

a prezentáció ne okozzon kellemetlen érzeteket a dinamikus lejátszás és a képkockaváltások, illetve a színek kellemetlensége miatt;

a legtöbb fontos információ az első és az utolsó diára kell helyezni.

Prezentáció készítésekor ne feledje, hogy az egy beszéd, jelentés vagy lecke kísérőjelensége, és nem helyettesíti azt. A prezentációk készítése során gyakran a tanulók igyekeznek minden információt elhelyezni benne, a tanár szerepe ebben a helyzetben az, hogy korrigálja az előadás tartalmát, érzékelését. Ez a leginkább releváns projektek, verseny- és kutatási dokumentumok megvédésekor. Minden versenyen a munka értékelésekor a láthatóságot veszik figyelembe, ami nagyrészt multimédiás prezentációt jelent.

A fizika tanításában használt IKT másik típusa az elektronikus segédeszközök használata. Célszerűbb az elektronikus tankönyvek és képzési programok használata a tanulók házi és önálló munkavégzésekor, valamint bármilyen oktatási irodalom, ebben az esetben alaposan át kell gondolni és meg kell határozni a tanulók feladatait.

A szimulátor programok önálló termékként működnek, amely lehetővé teszi a tanult anyag kidolgozását, azonosítja azokat a problémákat, amelyekkel a hallgatók szembesülnek az elméleti anyag tanulmányozása során.

Az online tesztek kiemelt szerepet játszanak az állami végső minősítésre való felkészülésben. A tanuló szinte azonnal látja az eredményt, és reálisan méri fel képességeit.

Az IKT fizikatanításban való alkalmazásának fontos eleme az interaktív modellekkel való munka, amelyeket olyan termékekben mutatnak be, mint az „Élő fizika”, „ nyitott fizika". Szinte minden modell lehetővé teszi a tapasztalatok bemutatását az új anyagok ismertetésekor. Az ilyen programokkal való munka lehetővé teszi, hogy a jelenség mélyére tekintsen, olyan folyamatokat is figyelembe vegyen, amelyek "élő" kísérletben nem figyelhetők meg. A bemutatókhoz modellek használatakor lehetőség van az egyik diák bevonására asszisztensként, mivel meglehetősen nehéz számítógépen dolgozni, és ugyanakkor megadni a szükséges magyarázatokat az osztálynak. Kívül, önálló munkavégzés A tanulók ezekkel a programokkal hozzájárulnak a kognitív tevékenység fejlesztéséhez.

A hallgatók számára különösen érdekes a virtuális megvalósítása laboratóriumi munka. A tanulók beállíthatják a szükséges számítógépes kísérleteket, hogy teszteljék saját ötleteiket kérdések megválaszolása vagy problémamegoldás során. Természetesen egy számítógépes labor nem helyettesítheti a valódi fizikai labort. A számítógépes laboratóriumi munka elvégzéséhez azonban szükség van bizonyos készségekre, amelyek egy igazi kísérletre is jellemzőek - a választás kezdeti feltételek, élménybeállítások beállítása stb.

A fizika oktatásában az egyik kulcsszerepet az L-micro fizikai laboratórium tölti be. A számítógép mérőeszközként történő alkalmazása lehetővé teszi az iskolai fizikai kísérlet határainak kitágítását, fizikai kutatások végzését.

A fizikaórákra való felkészülés során emlékezni kell a tudomány és a technika gyors fejlődésére. A modern fizika egy adott területen elért eredményeiről új információk birtokában a tanár nemcsak a fizika iskolai tanulmányozásának relevanciáját és szükségességét hangsúlyozza, hanem fejleszti a tanuló kognitív tevékenységét is. Ugyanakkor célszerű a hallgatókat arra utasítani, hogy tájékozódjanak a fizika e területén elért modern vívmányokról. Az iskolások általában kreatívan közelítenek a keresési folyamathoz, és gyakran az információgyűjtéstől elragadtatva maga a probléma is magával ragadja őket, amely önálló kutatássá fejlődhet. A tanulóknak azonban figyelniük kell a megbízható információforrások felkutatására. Az egyik ilyen internetes forrás az alapvető tudományról szóló népszerű oldal az elementy.ru.

Egy weboldal nemcsak információforrás lehet, hanem önálló oktatási termék is. Tehát az elementy.ru oldalon az információs szekciók mellett interaktív poszterek is találhatók, amelyekkel a hallgatók nem csak a legbonyolultabb technikai eszközök sémáit láthatják, hanem „belenézhetnek”, megváltoztathatják a munkakörülményeket. és tanulj elméleti alapja folyamatokat. Az ilyen plakátokkal való munka lehetővé teszi a fizikaórákon tanult törvények gyakorlati jelentőségének bemutatását.

Az IKT elemeinek bevonásával a fizika tanítási folyamatába a tanár nemcsak a tanulók kognitív tevékenységét fejleszti, hanem önmagát is fejleszti. Az IKT tantermi aktív használatához a tanárnak el kell sajátítania bizonyos készségeket:

szöveges, digitális, grafikus és hangos információkat megfelelő szerkesztők segítségével feldolgozni didaktikai anyagok elkészítéséhez;

készítsen diákat ezen az oktatási anyagon a prezentációszerkesztő (MS PowerPoint) segítségével, mutassa be a bemutatót a leckében;

felhasználni a rendelkezésre álló kész szoftvertermékeket szakterületükön;

az osztályteremben elektronikus tankönyvvel megszervezni a munkát;

információk keresése az interneten a tanórákra és a tanórán kívüli foglalkozásokra való felkészülés során;

megszervezni a diákokkal való munkát, hogy közvetlenül az órán megtalálják a szükséges információkat a globális hálózatban;

dolgozzon az órákon a webhelyekről származó anyagokkal.

Befejezésül megjegyzem, hogy modern körülmények között pedagógiai feladatot jelent, hogy ellenálljunk az IKT túlzott bevezetésének a fizika tanítási folyamatában, hogy a fizikatudomány valódi kísérleti jellegét ne árnyékoljuk be színes illusztrációkkal és modellekkel, ne feledkezzünk meg a "élő" kísérlet.

Mágneses vektor mező

Meghatározás

A vektormezőt ún szolenoid vagy örvény, ha bármilyen zárt felületen keresztül S az áramlása nulla:

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

Ha ez a feltétel bármelyik zárt esetében teljesül S bizonyos területen (alapértelmezés szerint mindenhol), akkor ez a feltétel egyenértékű azzal, hogy a divergencia nulla vektor mező a → (\displaystyle (\vec (a))) :

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

mindenütt ezen a régión (feltételezzük, hogy ezen a területen mindenütt eltérés van). Ezért szolenoid mezőket is neveznek divergens-mentes .

A tartományok széles osztályára ez a feltétel akkor és csak akkor teljesül, ha egy → (\displaystyle (\vec (a))) vektorpotenciál van, azaz létezik ilyen A → (\displaystyle (\vec) vektormező (A))) (vektorpotenciál), hogy egy → (\displaystyle (\vec (a))) a rotorjaként fejezhető ki:

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

Más szóval, egy mező örvény, ha nincs forrása. Egy ilyen mező erővonalainak nincs se kezdete, se vége, és zártak. Az örvényteret nem nyugalmi töltések (források), hanem a hozzá tartozó tér megváltozása (például elektromos tér esetében a mágneses tér változása) hozza létre. Mivel a természetben nincsenek mágneses töltések, a mágneses tér mindigörvény, és az erővonalai mindig zártak. Az állandó mágnes erővonalai, annak ellenére, hogy kijönnek a pólusaiból (mintha források lennének benne), valójában zárva vannak a mágnes belsejében. Ezért egy mágnes kettévágásával nem lehet két különálló mágneses pólust előállítani.

Példák

• A mágneses indukciós vektor tere (a Maxwell-egyenletekből, pontosabban a mágneses térre vonatkozó Gauss-tételből következik).
• Egy összenyomhatatlan folyadék sebességmezeje (a ∂ ρ / ∂ t = 0 folytonossági egyenletéből következik (\displaystyle \partial \rho /\partial t=0)).
• Elektromos mező olyan területeken, ahol nincsenek források (töltések). A terepi szolenoiditáshoz E az ingyenes és kötött díjak hiánya (vagy kölcsönös kompenzációja) szükséges. A szolenoiditásért D csak az ingyenes díjak hiánya elegendő.
• Az áramsűrűségvektor mezeje szolenoid, ha a töltéssűrűség időben nem változik (akkor a folytonossági egyenletből következik az áramsűrűség szolenoidossága).

Etimológia

Szó szolenoid görögből származik szolenoid(σωληνοειδές, sōlēnoeidēs), jelentése "csőszerű" vagy "mint a csőben", amely a σωλην (Solen) szót tartalmazza - pipa. Ebben az összefüggésben ez azt jelenti, hogy rögzíteni kell a térfogatot az áramló folyadék modellhez, a források és a nyelők hiányát (mint a csőben történő áramlásnál, ahol nem jelenik meg és nem tűnik el új folyadék).

Telepítési leírás

Ebben a munkában a következő eszközöket használjuk (lásd 13.1. ábra, bés 13.2, de): neonlámpa N; az erő forrása U 0; voltmérő V; árammérő DE; a relaxációs oszcillációk formájának megfigyelésére és a jelparaméterek mérésére szolgáló oszcilloszkóp.

A feladat

1. Szerelje össze az áramkört a 13.1. ábra szerint, ban ben. változó U 0 , távolítsa el a neonlámpa CVC elülső és hátsó ágát. Határozza meg U kéz U d) Rate R énégő lámpa két kísérleti ponton.

2. Szerelje össze az áramkört a 13.2. ábra szerint, de. Készítsen stabil képet az oszcilloszkóp képernyőjén a relaxációs oszcillációkról, és rajzolja be a munkanaplóba.

3. Mérje meg az oszcilláció amplitúdóját oszcilloszkóp segítségével.

4. Vizsgálja meg a rezgési periódus függőségeit! T a séma paraméterei közül:

a) távolítsa el a függőséget T tól től R fixen U 0 =U 01 és C= C 1 ;

b) távolítsa el a függőséget T tól től C fixen U 0 = U 01 és R= R 1 .

5. Használja az összeszerelt relaxációs generátort sweep generátorként, amelyhez helyezze át az oszcilloszkópot kétcsatornás üzemmódba " x – Y” és szinuszos jelet adunk a GSK generátortól a második csatornára. Miután felvette a GSK szinuszos jel frekvenciáját, kapjon stabil képet az oszcilloszkóp képernyőjén, és vázolja fel a laboratóriumi naplóba. A relaxációs generátor kikapcsolásával alkalmazzuk ugyanazt a GSK jelet az oszcilloszkóp első csatornájára, és a sweep generátor bekapcsolásával stabil képet kapjunk a jel sweepről a képernyőn, vázoljuk fel a laboratóriumi naplóban. Magyarázza el a képek közötti minőségi különbséget!

6. Szerkessze meg egy neonlámpa CVC-jének grafikonját! A grafikonból határozza meg az égő neonlámpa belső ellenállását! R én = = dU/dI számára U, valamivel kisebb, mint U h.

7. Készítsen függőségi grafikonokat T= T(R),T= T(C). Ugyanezen gráfokon a (13.2) képlet segítségével állítson elő elméleti függőségeket.

tesztkérdések

1. Mik azok a relaxációs oszcillációk?

2. Meséljen a neonlámpa áram-feszültség jellemzőiről!

3. Mekkora a lámpa belső ellenállása, és hogyan lehet megtalálni az áram-feszültség karakterisztika alapján?

4. Vezesse le a (13.1) képletet!

5. Ismertesse a 13.2. ábrán látható relaxációs generátor működési elvét! de.

6. Milyen formájúak a relaxációs oszcillációk ebben a munkában?

7. Mekkora legyen az égő és nem égő neonlámpa ellenállásának és belső ellenállásának aránya, hogy a rezgési periódus a (13.2) képlettel legyen meghatározva?

8. Hogyan változtathatod meg az oszcilláció periódusát?

9. Hogyan változtatható a rezgések amplitúdója?

10. Milyen okokból választják U egy generátorban?

11. Milyen hullámformájú a sweep generátor az oszcilloszkópban? Használható-e relaxációs generátor sweep generátorként? Hogyan torzul a vizsgált jel alakja és miért?

Munkavégzés 14 örvénylő elektromos mező

Cél: az örvény elektromos tér tulajdonságainak tanulmányozása.

Bevezetés

A Maxwell-egyenletekből az következik, hogy az időben változó mágneses tér elektromos teret hoz létre. A megfelelő egyenletet a következőképpen írjuk fel

, (14.1)

ahol E- elektromos térerősség vektor, B- a mágneses indukció vektora. Ugyanez az egyenlet integrál formában alkalmazva egy mágnesszelepre is hengeres rendszer koordináta így néz ki:

, (14.2)

ahol - az elektromos térerősség kerületi összetevője;

a mágneses indukció axiális komponense, és az integrálokat egy zárt hurkon veszik át lés a felszínen S e kontúr alapján.

A mű egy mágnesszelep örvényes elektromos mezőjét használja fel, amelyen váltakozó elektromos áram folyik át. Az örvény elektromos mező mérése a mágnesszelep tengelyére merőleges szakaszban történik, áthaladva annak közepén. A mágnesszelep hossza jóval nagyobb, mint az átmérője, ezért első közelítésben azt feltételezhetjük, hogy végtelen hosszúságú mágnesszeleppel van dolgunk.

Ismeretes, hogy a végtelen szolenoid belsejében lévő mágneses tér homogén, és mágneses indukcióját a következő képlet határozza meg:

, (14.3)

ahol  az anyag relatív mágneses permeabilitása (levegő esetén  = 1,0000004);  0 = 1,26 10-6 H/m - mágneses állandó; n - a mágnesszelep fordulatszáma hosszegységére vonatkoztatva, én- áramerősség a mágnesszelepben (kvázi-stacionárius áramot vesszük figyelembe). A mágnesszelepen kívül a mágneses indukció elhanyagolható.

A (14.2) egyenlet nagymértékben leegyszerűsödik, ha felületként S vegyünk egy sugarú kört r, amelynek középpontja a mágnesszelep tengelyén van, és a sík erre a tengelyre merőleges. Ebben az esetben L egy kör sugarú r. Mivel az érték  B z / t homogén a végtelen mágnesszelepen belül és gyakorlatilag nulla azon kívül, akkor a jobb integrál egyenlő:

ahol R a mágnesszelep sugara.

A (14.2) egyenlet bal oldalán lévő integrál a feladat axiális szimmetriájából adódóan egyenlő E  2 r. Ennek eredményeként egyszerű transzformációk után a következő kifejezést kapjuk az örvény elektromos térerősség modulusára:

(14.4)

Mert  B z / t nem függ attól r, akkor az örvény elektromos tér intenzitása arányos a távolsággal r a mágnesszelep tengelyétől at r< Rés fordítottan arányos r nál nél r R.

Abban az esetben, ha a mágnesszelep árama szinuszos törvény szerint változik

Fizika meghatározása

Az örvény elektromos tér az

Ksyulyonok havelev

VORTEX ELEKTROMOS MEZŐ

Az álló vezetőben az elektromos áram előfordulásának oka az elektromos tér.
Bármilyen változás a mágneses térben induktív elektromos teret hoz létre, függetlenül a zárt áramkör meglététől vagy hiányától,
sőt, ha a vezető nyitva van, akkor potenciálkülönbség keletkezik a végein;
ha a vezető zárva van, akkor indukciós áram figyelhető meg benne. Az indukciós elektromos tér örvény.
Az örvény erővonalainak iránya el. mező egybeesik az indukciós áram irányával
Az indukciós elektromos tér teljesen eltérő tulajdonságokkal rendelkezik, ellentétben
elektrosztatikus mezőtől.

Örvényáramok alkalmazása: fémek hevítése és olvasztása vákuumban;
lengéscsillapítók elektromos mérőműszerekben.

Az örvényáramok káros hatásai: energiaveszteségek a transzformátorok és generátorok magjaiban
nagy mennyiségű hő felszabadulása miatt.

Hogyan keletkezik elektromotoros erő egy olyan vezetőben, amely váltakozó mágneses térben van? Mi az örvény elektromos tér, természete és okai? Melyek ennek a területnek a főbb tulajdonságai? Mindezekre és még sok más kérdésre választ kapunk a mai leckében.

Téma: Elektromágneses indukció

Lecke:Vortex elektromos mező

Emlékezzünk vissza, hogy a Lenz-szabály lehetővé teszi, hogy meghatározzuk az indukciós áram irányát egy változó fluxusú külső mágneses térben elhelyezkedő áramkörben. E szabály alapján meg lehetett fogalmazni a törvényt elektromágneses indukció.

Az elektromágneses indukció törvénye

Amikor az áramkör területét áthatoló mágneses fluxus megváltozik, ebben az áramkörben elektromotoros erő lép fel, amely számszerűen megegyezik a mágneses fluxus mínusz előjellel vett változási sebességével.

Hogyan jön létre ez az elektromotoros erő? Kiderült, hogy a váltakozó mágneses térben lévő vezetőben lévő EMF egy új tárgy megjelenéséhez kapcsolódik - örvényes elektromos mező.

Vegye figyelembe a tapasztalatot. Van egy rézhuzal tekercs, amelybe vasmagot helyeznek, hogy növeljék a tekercs mágneses terét. A tekercs vezetékeken keresztül váltóáramú forráshoz csatlakozik. Van egy huzaltekercs is, amelyet fa alapra helyeztek. Ehhez a tekercshez elektromos izzó van csatlakoztatva. A huzal anyagát szigetelés borítja. A tekercs talpa fából készült, azaz olyan anyagból, amely nem vezet elektromosságot. A tekercs kerete is fából készült. Így a villanykörte és az áramforráshoz csatlakoztatott áramkör érintkezésének lehetősége kizárt. Amikor a forrás le van zárva, az izzó kigyullad, ezért elektromos áram folyik a tekercsben - ami azt jelenti, hogy a tekercsben külső erők működnek. Ki kell deríteni, honnan származnak a harmadik felek erői.

A tekercs síkjába behatoló mágneses tér nem okozhat elektromos tér megjelenését, mivel a mágneses tér csak a mozgó töltésekre hat. A fémek elektromos vezetőképesség-elmélete szerint a fémek belsejében olyan elektronok vannak, amelyek szabadon mozoghatnak a kristályrácson belül. Ez a mozgás azonban külső elektromos tér hiányában véletlenszerű. Az ilyen véletlenszerűség ahhoz a tényhez vezet, hogy a mágneses mező teljes hatása egy áramvezető vezetőre nulla. Ily módon az elektromágneses tér eltér az elektrosztatikus tértől, amely az álló töltésekre is hat. Tehát az elektromos tér mozgó és álló töltésekre hat. A korábban vizsgált elektromos teret azonban csak elektromos töltések hozzák létre. Az indukciós áramot pedig váltakozó mágneses tér hozza létre.

Tegyük fel, hogy a vezetőben lévő elektronokat valamilyen új típusú elektromos tér rendezett mozgásba hozza. Ezt az elektromos teret pedig nem elektromos töltések, hanem váltakozó mágneses tér generálja. Faraday és Maxwell hasonló ötlettel állt elő. Ebben az elképzelésben az a lényeg, hogy az időben változó mágneses mező elektromosat generál. Explorer a rendelkezésre álló szabad elektronok lehetővé teszi, hogy megtalálja ezt a mezőt. Ez az elektromos tér mozgásba hozza a vezetőben lévő elektronokat. Az elektromágneses indukció jelensége nem annyira egy induktív áram megjelenésében, hanem egy újfajta elektromos tér megjelenésében áll, amely elektromos töltéseket hoz mozgásba egy vezetőben (1. ábra).

Az örvénytér különbözik a statikustól. Nem mozdulatlan töltések generálják, ezért ennek a mezőnek az intenzitásvonalai nem kezdődhetnek és nem végződhetnek töltésen. A kutatások szerint az örvénytérerősség vonalai zárt vonalak, hasonlóan a mágneses tér indukció vonalaihoz. Ezért ez az elektromos tér örvény – ugyanaz, mint a mágneses tér.

A második tulajdonság ezen új mező erőinek munkájára vonatkozik. Az elektrosztatikus mező vizsgálata során megállapítottuk, hogy az elektrosztatikus tér erőinek munkája zárt hurokban nulla. Mivel amikor a töltés egy irányba mozog, az elmozdulás és a ható erő együttesen irányul és a munka pozitív, akkor amikor a töltés bemozdul ellentétes irány az elmozdulás és a ható erő ellentétes irányú és a munka negatív, a teljes munka nullával egyenlő. Örvénymező esetén a zárt hurokban végzett munka nullától eltérő lesz. Tehát amikor egy töltés egy örvényjellegű elektromos tér zárt vonala mentén mozog, a különböző szakaszokon végzett munka állandó előjelet tart fenn, mivel a pálya különböző szakaszaiban az erő és az elmozdulás ugyanazt az irányt fogja fenntartani mindegyikhez képest. Egyéb. Az örvény elektromos tér erőinek munkája a töltés zárt hurok mentén történő mozgatásakor nem nulla, ezért az örvény elektromos tér zárt hurokban elektromos áramot tud generálni, ami egybeesik a kísérleti eredményekkel. Ekkor vitatható, hogy az örvénytérből származó töltésekre ható erő egyenlő az átvitt töltés és a térerősség szorzatával.

Ez az erő egy külső erő, amely működik. Ennek az erőnek az átvitt töltés értékéhez viszonyított munkája az indukció EMF. Az örvényes elektromos tér intenzitásvektorának irányát az intenzitásvonalak minden pontjában a Lenz-szabály határozza meg, és egybeesik az indukciós áram irányával.

A váltakozó mágneses térben elhelyezkedő rögzített áramkörben indukciós elektromos áram keletkezik. Maga a mágneses tér nem lehet idegen erő forrása, hiszen csak rendezetten mozgó elektromos töltésekre képes hatni. Elektrosztatikus tér nem létezhet, mivel rögzített töltések generálják. Miután feltételeztük, hogy egy időben változó mágneses tér elektromos teret hoz létre, megtudtuk, hogy ez a változó tér örvény jellegű, azaz vonalai zártak. Az örvény elektromos tér munkája zárt hurokban nem nulla. Az örvény elektromos tér oldaláról az átvitt töltésre ható erő egyenlő ennek az átvitt töltésnek az értékével, szorozva az örvény elektromos térerősségével. Ez az erő az a harmadik féltől származó erő, amely EMF megjelenéséhez vezet az áramkörben. Az indukció elektromotoros ereje, azaz a külső erők munkájának és az átvitt töltés értékéhez viszonyított aránya megegyezik a mágneses fluxus mínusz előjellel vett változási sebességével. Az örvény elektromos tér intenzitásvektorának irányát az intenzitásvonalak minden pontjában a Lenz-szabály határozza meg.

1. Kasjanov V.A., Fizika 11. osztály: Tankönyv. általános műveltségre intézmények. - 4. kiadás, sztereotípia. - M.: Túzok, 2004. - 416 p.: ill., 8 p. col. incl.
2. Gendenstein L.E., Dick Yu.I., Fizika 11. - M .: Mnemosyne.
3. Tikhomirova S.A., Yarovsky B.M., Fizika 11. - M.: Mnemosyne.
   

1. Elektronikus fizika tankönyv ().
2. Klassz fizika ().
3. Xvatit.com().

1. Hogyan magyarázható, hogy a villámcsapás megolvadhat a biztosítékok, letilthatja az érzékeny elektromos készülékeket és félvezető eszközöket?
2. * A tekercsben a gyűrű felnyitásakor egy 300 V-os önindukciós EMF jelent meg. Mekkora az örvény elektromos tér intenzitása a tekercs meneteiben, ha azok száma 800, és a fordulatok sugara 4 cm?

Tehát javítsuk, amit már megtanultunk. Minden képletünk több állításból származtatható.

1. állítás.

Ennek az állításnak a matematikai megfogalmazása az Osztrogradszkij-Gauss-tétel az elektromos térerősségre

A jobb oldalon a töltéssűrűség integrálja egy tetszőleges térfogaton, amely megegyezik a benne lévő teljes töltéssel. A bal oldalon - az elektromos térerősség vektorának áramlása egy tetszőleges zárt felületen, amely korlátozza ezt a térfogatot. Amint láttuk, ez az egyenlet Coulomb törvényét is tartalmazza.

2. állítás.

Mágneses töltések nem léteznek a természetben.

Ennek az állításnak a matematikai megfogalmazása az Ostrogradsky-Gauss tétel a mágneses indukciós vektorra, amelynek jobb oldalán nulla van

3. állítás.

Matematikailag ez az elektrosztatikus térerősség tetszőleges kontúron történő cirkulációjának nullával való egyenlősége.

4. állítás.

Ennek az állításnak a matematikai kifejezése a mágneses indukciós vektor körforgásáról szóló tétel

A bal oldalon a mágneses tér keringése egy tetszőleges kontúr mentén L, és a jobb oldalon - a teljes áramsűrűség integrálja tetszőleges felületen S ez a kontúr átíveli. Ez az integrál egyenlő a felületen áthaladó áramok összegével S. Ez az egyenlet tartalmazza a Biot-Savart-Laplace törvényt.

Ezt a négy egyenletet ki kell egészíteni az elektromágneses mezők mozgó töltéseire ható Lorentz-erő kifejezésével.

A figyelmes olvasó észreveszi, hogy a két címsor legújabb nyilatkozatai más betűtípussal kiemelve. Ez nem véletlenül történik: ezek az állítások módosulhatnak. Az a helyzet, hogy mióta ezt a négy állítást megfogalmaztuk, egy másik jelenséggel is megismerkedtünk - az elektromágneses indukcióval. Ez még nem tükröződött az írott egyenletekben. Csináljuk.

Ha a mágneses fluxus egy vezető tekercsen keresztül L megváltozik, akkor indukciós EMF keletkezik a tekercsben. Mit is jelent ez? A vezetőben lévő töltések megtapasztalják az ehhez az EMF-hez kapcsolódó erőt. De a töltésre ható erő megjelenése valamiféle elektromos tér megjelenését jelenti. Ennek a mezőnek a keringése a tekercs mentén definíció szerint pontosan megegyezik az indukciós emf-vel

A cirkuláció nullától való eltérése azt jelenti, hogy ez az elektromos tér nem potenciális, de van örvény karakter, mint egy mágneses mező. De ha megjelenik egy ilyen mező, akkor mi a szerepe a tekercsnek? A tekercs nem más, mint egy kényelmes detektor az örvényes elektromos mező regisztrálására a keletkezett indukciós áram alapján. A tekercstől való teljes elszakadás érdekében az indukciós EMF-et a mágneses tér fluxusában fejezzük ki. Írjuk át Faraday törvényét alakban

Ezt az egyenletet (9.6) kombinálva egy módosított 3. állításhoz jutunk (9.1. ábra).

5. állítás.

Rizs. 9.1. Az elektromágneses indukció törvénye Maxwell értelmezésében:
a változó mágneses tér örvényvillamos teret hoz létre

Matematikailag ezt egyenletként fejezzük ki

Ez az egyenlet tartalmazza az elektromágneses indukció Faraday-törvényét.

Itt egy kicsit óvatosnak kell lennünk: mivel van egy további elektromos mezőnk, nem változtatja meg az első állítást? Szerencsére a válasz nem: az örvénytér fluxusa zárt felületen nulla, így ez a mező nem járul hozzá a (9.1) egyenlet bal oldalához.

Úgy tűnik, hogy már figyelembe vettük az összes ismert jelenséget. Akkor miért jelöltük meg a negyedik egyenletet módosítást igénylőként? Az a tény, hogy az elektromos és a mágneses jelenségek közötti szimmetria most megszakadt. Tegyük fel, hogy a rendszerben nincsenek töltések vagy áramok. Létezhet-e ilyenkor elektromágneses tér? Tudjuk a választ innen modern élet: talán! Vannak elektromágneses hullámok, amelyek az űrben terjednek, és nem igényelnek közeget ehhez. Töltések és áramok hiányában az első két egyenlet (9.1) és (9.2) teljesen szimmetrikus. Ugyanez nem mondható el a második egyenletpárról. Létrehozható-e elektromos (örvény) mező töltés nélkül, egyszerűen a mágneses tér megváltoztatásával? Miért nem tud mágneses teret generálni nem áramokkal, hanem az elektromos tér megváltoztatásával?

Faraday törvényéből (lásd (123.2)) az következik Bármi az áramkörhöz kapcsolt mágneses indukció fluxusának változása elektromotoros indukciós erő kialakulásához vezet, és ennek eredményeként indukciós áram jelenik meg. Ezért az emf. elektromágneses indukció fix áramkörben is lehetséges,

váltakozó mágneses térbe helyezve. Azonban emf. bármely áramkörben csak akkor fordul elő, ha külső erők hatnak a benne lévő áramhordozókra - nem elektrosztatikus eredetű erők (lásd 97. §). Felmerül tehát a kérdés a külső erők természetéről ebben az esetben.

A tapasztalat azt mutatja, hogy ezek a külső erők nem kapcsolódnak sem termikus, sem kémiai folyamatokhoz az áramkörben; előfordulásuk szintén nem magyarázható Lorentz-erőkkel, mivel nem mozdulatlan töltésekre hatnak. Maxwell feltételezte, hogy bármely váltakozó mágneses tér elektromos mezőt gerjeszt a környező térben, ami az indukciós áram oka az áramkörben. Maxwell elképzelései szerint az áramkör, amelyben az emf megjelenik, másodlagos szerepet játszik, egyfajta egyetlen „eszköz”, amely érzékeli ezt a mezőt.

Tehát Maxwell szerint az időben változó mágneses tér E B elektromos teret hoz létre, amelynek keringése a (123.3) szerint

ahol E B l - az E B vektor vetítése a dl irányra.

Ha a (137.1) képletbe behelyettesítjük a (lásd (120.2)) kifejezést, megkapjuk

Ha a felület és a kontúr rögzített, akkor a differenciálás és az integrálás műveletei felcserélhetők. Következésképpen,

(137.2)

ahol a parciális derivált szimbólum azt a tényt hangsúlyozza, hogy az integrál csak az idő függvénye.

A (83.3) szerint az elektrosztatikus térerősségvektor (ezt E Q-val jelöljük) tetszőleges zárt körvonal mentén nullával egyenlő:

(137.3)

A (137.1) és (137.3) kifejezéseket összehasonlítva azt látjuk, hogy a vizsgált mezők (E B és E Q) között alapvető különbség van: az E B vektor körforgása, ellentétben

az E Q vektor körforgása nem egyenlő nullával. Ezért az elektromos tér E B , mágneses tér által gerjesztett, akárcsak maga a mágneses tér (lásd 118. §). örvény.

Előfeszítő áram

Maxwell szerint, ha bármilyen váltakozó mágneses tér örvény elektromos teret gerjeszt a környező térben, akkor ennek az ellenkező jelenségnek is fennállnia kell: az elektromos térben bekövetkező bármilyen változásnak örvény mágneses tér megjelenését kell okoznia a környező térben. A változó elektromos tér és az általa okozott mágneses tér közötti mennyiségi összefüggések megállapítására Maxwell bevezette az ún. .

Tekintsünk egy kondenzátort tartalmazó váltakozó áramú áramkört (196. ábra). A töltő- és kisütési kondenzátor lemezei között váltakozó elektromos mező van, ezért Maxwell szerint előfeszítő áramok „folynak” át a kondenzátoron, elrejtőzve azokon a területeken, ahol nincsenek vezetők.

Keressünk mennyiségi összefüggést a változó elektromos tér és az általa okozott mágneses mezők között. Maxwell szerint a kondenzátorban minden időpillanatban váltakozó elektromos tér olyan mágneses teret hoz létre, mintha a kondenzátor lemezei között vezetési áram lenne, amely megegyezik a tápvezetékek áramával. Akkor vitatható, hogy a vezetési áramok (I) és az elmozdulások (I cm) egyenlőek: I cm \u003d I.

Vezetési áram a kondenzátorlapok közelében

,(138.1)

(a lemezeken a felületi töltéssűrűség s egyenlő a kondenzátorban lévő D elektromos elmozdulással (lásd (92.1)).) A (138.1)-ben lévő integrandus speciális esetnek tekinthető. pont termék, amikor és dS kölcsönösen

párhuzamosak. Ezért az általános esetre írhatunk

Összehasonlítva ezt a kifejezést a (lásd (96.2)), van

A (138,2) kifejezést Maxwell az eltolási áramsűrűségnek nevezte.

Tekintsük, hogy a j és j vezetési áramok és elmozdulások sűrűségének vektorai milyen irányban haladnak, lásd Kondenzátor feltöltésekor (197. ábra, c) a lemezeket összekötő vezetőn keresztül az áram a jobb oldali lemezről a bal; a kondenzátorban lévő mező felerősödik, tehát a vektor ugyanabba az irányba van irányítva, mint a D . Az ábráról látható, hogy a vektorok és j irányai egybeesnek. A kondenzátor kisütésekor (197. ábra, b) a lemezeket összekötő vezetőn keresztül balról folyik az áram

bélés jobbra; a kondenzátor mezője gyengült; Következésképpen,<0, т. е.

a vektor a D vektorral ellentétes irányban irányul. A vektor azonban ismét irányul

ugyanaz, mint a j vektor. Az elemzett példákból az következik, hogy a j vektor iránya tehát és a j cm vektor iránya egybeesik a vektor irányával, amint az a (138.2) képletből következik.

Hangsúlyozzuk, hogy a vezetési áramban rejlő összes fizikai tulajdonság közül. Maxwell egyetlen dolgot tulajdonított az elmozduló áramnak - a mágneses mező létrehozásának képességét a környező térben. Így az elmozduló áram (vákuumban vagy anyagban) mágneses teret hoz létre a környező térben (a kondenzátor töltése és kisütése során az elmozdulási áramok mágneses mezőinek indukciós vonalait a 197. ábra szaggatott vonallal mutatja).

A dielektrikumban az eltolási áram az tól től két kifejezés. Mivel a (89.2) szerint D= , ahol E az elektrosztatikus tér erőssége, és P a polarizáció (lásd 88. §), akkor az eltolási áramsűrűség

, ( 138.3)

ahol az eltolódási áramsűrűség vákuumban, a polarizációs áramsűrűség - a dielektrikumban lévő elektromos töltések rendezett mozgásából adódó áram (a töltések elmozdulása nem poláris molekulákban vagy a dipólusok forgása poláris molekulákban). A mágneses mező polarizációs áramokkal való gerjesztése jogos, mivel a polarizációs áramok természetüknél fogva nem különböznek a vezetési áramoktól. Azonban az a tény, hogy az elmozdulás áramsűrűségének másik része, amely nem a töltések mozgásához kapcsolódik, hanem csak az elektromos tér időbeli változása, mágneses mezőt is gerjeszt, van alapvetően új kijelentés Maxwell. Még vákuumban is, az elektromos tér bármilyen időbeli változása mágneses tér megjelenéséhez vezet a környező térben.

Meg kell jegyezni, hogy az "elmozduló áram" elnevezés feltételes, vagy inkább történelmileg megalapozott, mivel az elmozdulási áram lényegében egy elektromos mező, amely idővel változik. Az eltolási áram tehát nemcsak a vákuumban vagy a dielektrikumban létezik, hanem a váltakozó áramot szállító vezetékekben is.

Ebben az esetben azonban a vezetési áramhoz képest elhanyagolható. Az elmozduló áramok jelenlétét A. A. Eikhenvald kísérletileg megerősítette, aki a polarizációs áram mágneses terét vizsgálta, amely a (138.3) szerint az elmozduló áram része.

Maxwell bemutatta a koncepciót teljes áram, egyenlő a vezetési áramok (valamint a konvekciós áramok) és az elmozdulás összegével. Teljes áramsűrűség

Az eltolási áram és a teljes áram fogalmának bemutatása. Maxwell új módon közelítette meg a váltakozó áramú áramkörök lezárásának mérlegelését. A bennük lévő összáram mindig zárt, vagyis csak a vezetési áram szakad meg a vezető végein, a vezető végei közötti dielektrikumban (vákuumban) pedig a vezetőáramot lezáró eltolási áram van.

Maxwell általánosította a H vektor cirkulációjára vonatkozó tételt (lásd (133.10)), bevezetve a teljes áramot annak jobb oldalába. a felszínen keresztül S , zárt hurkon át nyújtva L . Ekkor a H vektorra vonatkozó általánosított cirkulációs tétel így írható fel

(138.4)

A (138.4) kifejezés mindig igaz, ennek bizonyítéka az elmélet és a tapasztalat teljes megfelelése.