ЛЕКЦИЯ 7

1.

2.

3.

Поток вектора магнитной индукции
(магнитный поток)
В однородное магнитное поле,
модуль вектора индукции которого равен В,
помещен плоский замкнутый контур площадью S.
Нормаль n к плоскости контура составляет угол α
с направлением вектора магнитной индукции В.

4.

Потоком вектора магнитной индукции ФВ
через площадку площадью S называется
скалярная величина, равная
ФB Bn dS BS cos
S
Единица измерения
магнитного потока
- 1 вебер (1 Вб).
ФB B S
1Вб 1Тл 1м 2

5. Теорема Гаусса для магнитного поля

Поток вектора магнитной индукции В через
любую замкнутую поверхность равен нулю.
ФB Bn dS 0
Следствие из теоремы
– силовые линии магнитного поля
всегда являются замкнутыми кривыми.

6.

Электромагнитная индукция
Явление электромагнитной индукции
обнаружено в 1831 г. английским физиком
М. Фарадеем.
Оно выражает взаимосвязь электрических
и магнитных явлений.
Постоянный магнит
вставляют в катушку,
замкнутую на
гальванометр, или
вынимают из нее.
При движении магнита
в контуре возникает
электрический ток

7.

Аналогичный результат получится в случае
перемещения электромагнита, по которому
пропускают постоянный ток, относительно
первичной катушки или при изменении тока
в неподвижной вторичной катушке.

8.

Электромагнитная индукция
– явление, заключающееся в том,
что в замкнутом проводящем контуре при изменении
магнитного потока, охватываемого этим контуром,
возникает электрический ток, получивший название
индукционного.
Электромагнитная индукционная катушка Фарадея.
Экспонат музея Фарадея в Королевском институте.

9.

Закон электромагнитной индукции
(закон Фарадея)
ЭДС электромагнитной индукции в контуре численно
равна и противоположна по знаку скорости изменения
магнитного потока сквозь поверхность,
ограниченную этим контуром.
Этот закон является универсальным,
т. к. ЭДС не зависит от способа
изменения магнитного потока.

10. Что же объединяет все эти явления? Что можно сказать о магнитном потоке, как числе линий магнитной индукции, пронизывающих

поверхность, ограниченную
контуром?
• При внесении (изъятии) магнита?
• При замыкании (размыкании)
цепи?
• При изменении силы тока
реостатом?
• При внесении (изъятии) катушки
с током?
• При вращении контура в
магнитном поле?
изменяется

11. ВЫВОД

Во всех рассмотренных
случаях
изменяется
магнитный поток
через поверхность,
ограниченную
контуром
В цепи катушки
гальванометра
появляется
индукционный ток

12.

ЭДС индукции в движущемся проводнике
Проводник длиной l
перемещается со
скоростью V
в однородном магнитном
поле c индукцией В,
пересекая силовые линии.
Вместе с проводником
движутся заряды,
находящиеся в
проводнике.
На движущийся в
магнитном поле заряд
действует сила Лоренца.

13.

Свободные электроны
смещаются к одному
концу проводника, а на
другом остаются
нескомпенсированные
положительные заряды.
Возникает разность
потенциалов, которая и
представляет собой
ЭДС индукции
BlV sin

14.

Правило Ленца
Профессор Петербургского университета Э.Х. Ленц
исследовал связь между направлением индукционного тока и
характером вызвавшего его изменения магнитного потока.
В 1833 г. он установил закон, известный как правило Ленца.
Индукционный ток в контуре всегда имеет такое
направление, что создаваемое им магнитное поле
препятствует изменению магнитного потока,
вызвавшего этот индукционный ток.

15.

При возрастании
магнитного потока
индуктированная ЭДС
направлена встречно
току, создающему
магнитный поток.
При убывании магнитного
потока, индуктируемая
ЭДС препятствует
уменьшению тока.

16.

Самоиндукция
До сих пор мы рассматривали изменяющиеся
магнитные поля не обращая внимание на то,
что является их источником.
На практике магнитные поля создаются с
помощью различного рода соленоидов,
т.е. многовитковых контуров с током.
Здесь возможны два случая:
при изменении тока в контуре
изменяется магнитный поток,
пронизывающий:
а) этот же контур;
б) соседний контур.

17.

ЭДС индукции, возникающая в самом
же контуре называется
ЭДС самоиндукции,
а само явление – самоиндукция.
Если ЭДС индукции возникает в
соседнем контуре, то говорят о
явлении взаимной индукции.
Явление самоиндукции открыл американский
ученый Дж. Генри в 1831 г.

18.

Ток I, текущий в любом контуре создает
магнитный поток Ф, пронизывающий
этот же контур.
При изменении I, будет изменяться Ф,
следовательно в контуре будет
наводится ЭДС индукции.
Если магнитное поле создано током, то
можно утверждать, что Ф ~ В ~ I, т.е.
Ф ~ I или Ф = LI, где L – индуктивность
контура (или коэффициент
самоиндукции). Тогда
dI
i L ,
dt

19.

Индуктивность зависит от размеров, формы
проводника, магнитных свойств среды.
Единица измерения индуктивности – 1 генри
(Гн). 1 Гн = 1 Вб / А
индуктивность
– это физическая величина, численно равная
ЭДС самоиндукции, возникающей в контуре при
изменении силы тока на 1 А за 1 с.

20.

Явление самоиндукции играет
важную роль в
электротехнике и
радиотехнике.
Например, благодаря
самоиндукции происходит
перезарядка конденсатора,
соединенного последовательно
с катушкой индуктивности,
в результате в такой
LC-цепочке
(колебательном контуре)
возникают электромагнитные
колебания.

21.

22. Влияние самоиндукции на ток при замыкании и размыкании цепи, содержащей индуктивность

Рассмотрим несколько случаев влияния
ЭДС самоиндукции на ток в цепи.
Случай 1.
По правилу Ленца, токи возникающие в цепях
вследствие самоиндукции всегда направлены
так, чтобы препятствовать изменению
тока, текущего в цепи.

23.

Это приводит к тому, что при
замыкании ключа К установление тока
I2 в цепи содержащей индуктивность L,
будет происходить не мгновенно,
а постепенно.
Сила тока в этой цепи

24.

Случай 2.
При переводе ключа из положения 1 в 2 в
момент времени t 0 , ток начнет
уменьшаться но ЭДС самоиндукции будет
поддерживать ток в цепи, т.е.
препятствовать резкому уменьшению тока.

25.

Оба эти случая говорят, что чем больше
индуктивность цепи L и чем меньше сопротивление R,
тем медленнее изменяется ток в цепи.
Случай 3.
Размыкание цепи содержащей индуктивность.
Сначала цепь замкнута.
В цепи течет установившийся ток.
При размыкании цепи в момент времени t0 ,
R .
Это приводит к резкому возрастанию ЭДС
индукции
dI
i L
.
dt

26.

Происходит этот скачек вследствие
большой величины скорости
изменения тока
dI
dt
ЭДС самоиндукции резко
возрастает
(Нельзя резко размыкать цепь,
состоящую из трансформатора
и других индуктивностей).

27. Взаимная индукция

Взаимная индукция
– явление возникновения ЭДС в одном контуре
при изменении силы тока в другом,
близко расположенном контуре.
Возьмем два контура, расположенные недалеко
друг от друга

28.

В первом контуре течет ток I1 .
Он создает магнитный поток,
который пронизывает и витки второго
контура.
Ф2 L21I1.

29.

При изменении тока I1 во втором
контуре наводится ЭДС индукции
dI1
i 2 L21
.
dt
Аналогично, ток I 2 второго контура
создает магнитный поток
пронизывающий первый контур

30.

Ф1 L12 I 2 .
И при изменении тока I 2 наводится ЭДС
dI 2
i 1 L12
.
dt
Контуры называются связанными,
а явление – взаимной индукцией.

31.

При изменении тока в
верхней катушке
(размыкание цепи)
возникает индукционный
ток в нижней катушке.

32.

Явление взаимной индукции широко
используется в трансформаторах.
Коэффициент трансформации
n1 U 1
K
n2 U 2

33.

К первичной обмотке подключена переменная
ЭДС. Когда в первой катушке идет ток ,
в сердечнике возникает магнитная индукция
и магнитный поток Ф через поперечное
сечение.
Через вторую обмотку проходит магнитный
поток Ф и в ней возникает ЭДС взаимной
индукции.

34.

ПРИМЕНЕНИЕ
Преобразование напряжения

35.

36. Энергия

магнитного поля

37.

Рассмотрим эксперимент: лампа накаливания
подключается сначала к источнику тока, а затем
– к катушке индуктивности. При переключении к
катушке ток исчезает не мгновенно и лампа
какое-то время еще горит, так как в течение
этого времени ток течет под действием ЭДС
самоиндукции.

38.

В цепи будет течь убывающий ток I.
При этом будет совершена работа:
2
LI
A
.
2
Катушка индуктивности с током обладает
энергией, которая затем переходит в
тепловую энергию.

39.

Поскольку других изменений кроме исчезновения
магнитного поля в окружающем контур
пространстве не произошло, можно сделать
вывод, что работа совершена за счет энергии,
которая была локализована в магнитном поле.
Значит, проводник, с индуктивностью L,
по которой течет ток I, обладает энергией
LI
W
2
2
Магнитное поле порождается током и
исчезает вместе с ним. Следовательно,
часть энергии тока всегда идет на создание
магнитного поля.

40.

ГЭС

41.

ТЭС

42.

43.

44.

45.

46.

47. До начала XIX в. электричество и магнетизм считались явлениями, не связанными друг с другом, и рассматривались в разных

НЕМНОГО
ИСТОРИИ
До начала XIX в.
электричество и магнетизм
считались явлениями,
не связанными друг с другом,
и рассматривались в разных
разделах физики.

48. XVIIIв. М.В. Ломоносов

Высказал мысль о
родстве
световых и
электрических
явлений.

49. 1819г. Г.Х Эрстед

Проводник,
по которому течёт
электрический ток,
вызывает отклонение
стрелки магнитного
компаса.

50. 1824г. А. Ампер

Математическое
описание
взаимодействия тока
с магнитным полем .

51. 1831 г. Майкл ФАРАДЕЙ

« Превратить
магнетизм в
электричество…»

52. 1864 г. Джеймс Максвелл

Создаёт
теорию
электромагнитного
поля,
согласно которой
электрическое и
магнитное поля
существуют как
взаимосвязанные
составляющие единого
целого
— электромагнитного
поля.

53. 1887г. Генрих Герц

Зарегистрировал
электромагнитную волну.
«Описанные эксперименты
устраняют сомнения в
тождественности света,
теплового излучения и
электродинамического
волнового движения».

54.

1895 Г
А.С. Попов
Продемонстрировал
практическое
применение
электромагнитных
волн для радиосвязи.

55. XX в. Макс Планк

XX в. Макс Планк
В XX в. Развил
представления об
электромагнитном поле и
электромагнитном
излучении, это
продолжилось в рамках
квантовой теории поля

56.

57.

МАКСВЕЛЛ
Джеймс Клерк
( 1831 - 1879 )
- выдающийся
английский физик.
Его наиболее
замечательные
исследования
относятся к
кинетической
теории газов и
электричеству.
Является
создателем теории
электромагнитного
поля и
электромагнитной
теории света.

58.

Согласно опросу, проведенному среди
ученых журналом
"Физик уолд", физик Джеймс Клерк
Максвелл вошел в первую тройку
названных:
Максвелл, Ньютон,
Эйнштейн.
Но главная память о Максвелле, вероятно,
единственном в истории науки человеке,
в честь которого имеется столько названий, – это
«уравнения Максвелла»,
«электродинамика Максвелла»,
«правило Максвелла»,
«ток Максвелла»

59. Верно ли утверждение, что в данной точке пространства существует только электрическое или только магнитное поле?

Покоящийся заряд создает
электрическое поле. Но
ведь заряд покоится лишь
относительно
определенной системы
отсчета. Относительно
других он может
двигаться и,
следовательно, создавать
магнитное поле.
Лежащий на столе
магнит создает
только магнитное
поле.
Но движущийся
относительно
него наблюдатель
обнаружит и
электрическое поле.

60. Утверждение, что в данной точке пространства существует только электрическое или только магнитное поле бессмысленно, если не

указать,
по отношению к какой системе отсчета
эти поля рассматриваются.
Вывод:
электрические и магнитные поля – проявление
единого целого: электромагнитного
поля.
Источником электромагнитного поля служат
ускоренно движущиеся электрические заряды.

61. Теория электромагнитного поля

Согласно теории
Максвелла, переменные
электрические и
магнитные поля не могут
существовать по
отдельности:
изменяющееся магнитное
поле порождает
электрическое поле,
а изменяющееся
электрическое поле
порождает магнитное.

62.

Утверждение 1
Электростатическое поле создается
зарядами.
Силовые линии электрического поля
начинаются и кончаются на зарядах.

63.

Утверждение 2
Магнитные заряды отсутствуют в
природе.

64.

Утверждение 3
Электростатическое поле
потенциально:
в нем нет замкнутых силовых линий.

65.

Утверждение 4
Вихревое магнитное поле создается
электрическими токами.

66.

Утверждение 5
Изменяющееся магнитное поле приводит к
возникновению вихревого электрического
поля.

67.

В пространстве, где изменяется магнитное
поле, всегда появляется вихревое
электрическое поле (индуцированное
электрическое поле).
При этом замкнутый контур позволяет
только его обнаружить, поскольку поле
существует независимо от наличия этого
замкнутого контура.

68.

Утверждение 6
Вихревое магнитное поле создается полным
током, то есть токами проводимости и
током смещения, вызванным изменяющимся
электрическим полем.
Максвелл предсказал новое явление, обратное
электромагнитной индукции.
Эксперимент подтвердил, что магнитное поле
действительно может создаваться изменяющимся
во времени электрическим полем.

69.

Максвелл создал теорию
электромагнитного поля
на основе двух постулатов:
-Переменное магнитное поле создает
в окружающем его пространстве
вихревое электрическое поле.
-Переменное электрическое поле создает
в окружающем его пространстве
вихревое магнитное поле.

70.

71. Основные источники электромагнитного поля

В качестве основных источников
электромагнитного поля можно выделить:
Линии электропередач.
Электропроводка (внутри зданий и сооружений).
Бытовые электроприборы.
Персональные компьютеры.
Теле - и радиопередающие станции.
Спутниковая и сотовая связь
(приборы, ретрансляторы).
Электротранспорт.
Радарные установки.

72. Линии электропередач

Провода работающей линии
электропередач создают в
прилегающем пространстве
(на расстояниях порядка десятков
метров от провода)
электромагнитное поле
промышленной частоты (50 Гц).
Причем напряженность поля вблизи
линии может изменяться в широких
пределах, в зависимости от ее
электрической нагрузки. Фактически
границы санитарно-защитной зоны
устанавливаются по наиболее
удаленной от проводов граничной
линии максимальной напряженности
электрического поля, равной 1 кВ/м.

73. Электропроводка

К электропроводке относятся: кабели
электропитания систем
жизнеобеспечения зданий,
токораспределительные провода, а
также распределительные щиты.
Электропроводка является основным
источником электромагнитного поля
промышленной частоты в жилых
помещениях. При этом уровень
напряженности электрического поля,
излучаемого источником, зачастую
относительно невысок
(не превышает 500 В/м).

74. Бытовые электроприборы

Источниками электромагнитных
полей являются все бытовые
приборы, работающие с
использованием электрического
тока.
При этом уровень излучения
изменяется в широчайших пределах
в зависимости от модели,
устройства прибора и
конкретного режима работы.
Также уровень излучения сильно
зависит от потребляемой
мощности прибора – чем выше
мощность, тем выше уровень
электромагнитного поля при
работе прибора.
Напряженность электрического
поля вблизи электробытовых
приборов не превышает
десятков В/м.

75. Персональные компьютеры

Основным источником
неблагоприятного воздействия на
здоровье пользователя компьютера
является средство визуального
отображения (СВО) монитора.
Кроме монитора и системного
блока персональный компьютер
может также включать в себя
большое количество других
устройств (таких, как принтеры,
сканеры, сетевые фильтры и т.п.).
Все эти устройства работают с
применением электрического тока,
а значит, являются источниками
электромагнитного поля.

76.

Электромагнитное поле персональных компьютеров
имеет сложнейший волновой и спектральный состав и
трудно поддается измерению и количественной оценке.
Оно имеет магнитную, электростатическую и лучевую
составляющие (в частности, электростатический
потенциал сидящего перед монитором человека может
колебаться от –3 до +5 В).
Учитывая то условие,
что персональные компьютеры сейчас активно
используются во всех отраслях человеческой
деятельности, их влияние на здоровье людей подлежит
тщательнейшему изучению и контролю.

77. Теле - и радиопередающие станции

На территории России в настоящее время
размещается значительное количество
радиотрансляционных станций и центров
различной принадлежности.
Передающие станции и центры размещаются
в специально отведенных для них зонах и
могут занимать довольно большие
территории
(до 1000 га). По своей структуре они включают в
себя одно или несколько технических зданий,
где находятся радиопередатчики, и антенные
поля, на которых располагаются до
нескольких десятков антенно-фидерных
систем (АФС). Каждая система включает в
себя излучающую антенну и фидерную линию,
подводящую транслируемый сигнал.

78. Спутниковая связь

спутниковой связи состоят
Спутниковая Системы
из передающей станции на Земле и
спутников – ретрансляторов,
связь
находящихся на орбите.
Передающие станции спутниковой
связи излучают узконаправленный
волновой пучок, плотность потока
энергии в котором достигает
сотен Вт/м. Системы
спутниковой связи создают высокие
напряженности
электромагнитного поля на
значительных расстояниях от
антенн. Например, станция
мощностью 225 кВт, работающая
на частоте 2,38 ГГц, создает на
расстоянии 100 км плотность
потока энергии 2,8 Вт/м2.

79. Сотовая связь

Сотовая радиотелефония является
сегодня одной из наиболее интенсивно
развивающихся
телекоммуникационных систем.
Основными элементами системы
сотовой связи являются базовые
станции и мобильные
радиотелефонные аппараты. Базовые
станции поддерживают радиосвязь с
мобильными аппаратами, вследствие
чего они являются источниками
электромагнитного поля.
В работе системы применяется принцип
деления территории покрытия на
зоны, или так называемые «соты»,
радиусом [0,5..10] км.

80. Сотовая связь

Интенсивность излучения базовой станции
определяется нагрузкой, то есть наличием
владельцев сотовых телефонов в зоне
обслуживания конкретной базовой станции
и их желанием воспользоваться телефоном
для разговора, что, в свою очередь,
коренным образом зависит от времени
суток, места расположения станции, дня
недели и других факторов. В ночные часы
загрузка станций практически равна нулю.
Интенсивность же излучения мобильных
аппаратов зависит в значительной
степени от состояния канала связи
«мобильный радиотелефон – базовая
станция» (чем больше расстояние от
базовой станции, тем выше интенсивность
излучения аппарата).

81. Электротранспорт

Электротранспорт
(троллейбусы, трамваи, поезда
метрополитена и т.п.) является
мощным источником
электромагнитного поля в
диапазоне частот [0..1000]Гц.
При этом в роли главного
излучателя в подавляющем
большинстве случаев выступает
тяговый электродвигатель
(для троллейбусов и трамваев
воздушные токоприёмники по
напряженности излучаемого
электрического поля соперничают с
электродвигателем).

82. Радарные установки

Радиолокационные и радарные установки имеют обычно
антенны рефлекторного типа («тарелки») и излучают
узконаправленный радиолуч. Периодическое перемещение
антенны в пространстве приводит к пространственной
прерывистости излучения. Наблюдается также временная
прерывистость излучения, обусловленная цикличностью
работы радиолокатора на излучение. Они работают на
частотах от 500 МГц до 15 ГГц, однако отдельные
специальные установки могут работать на частотах до
100 ГГц и более.
Вследствие особого характера излучения они могут
создавать на местности зоны с высокой плотностью
потока энергии (100 Вт/м2 и более).