Творческое конструкторско-экспериментальное задание

1. Спроектировать и изготовить устройство для демонстрации явления электромагнитной индукции в движущемся проводнике. Предлагается в качестве варианта выполнения задания использовать подковообразный постоянный магнит, катушку, миллиамперметр, медные проводники.

2. Объяснить и продемонстрировать явление электромагнитной индукции в движущемся проводнике на примере катушки и подковообразного магнита.

Тема 9 Явление электромагнитной силы

9.1 Описание явления электромагнитной силы

Если проводник с током поместить в маг­нитное поле, например в поле постоянного магнита (рис. 9.1),

Рис 9.1

то при наличии в этом проводнике тока на него будет действовать механическая сила, которая называется си­лой Ампера.

Эта сила возникает в результате того, что на каждый заряд, который образует ток, действует магнитное поле постоянного магнита, изменяя направление его движе­ния. При этом заряды взаимодействуют с атомами (ионами) металла и возникает си­ла Ампера.

Если убрать подковообразный магнит, то даже при наличии тока в проводнике АВ сила Ампера не будет действовать на него.

При изменении направления тока в проводнике АВ направление силы Ампера изменяется на противоположное. То же са­мое происходит, если поменять местами полюсы магнита.

Направление силы, действующей на проводник с током в магнитном поле, можно определить по правилу левой руки (рис. 9.2). Руку располагают так, чтобы ла­донь была обращена к северному полюсу

Рис. 9.2

магнита, а четыре пальца показывали на­правление тока в проводнике, тогда отстав­ленный на 90° большой палец укажет на­правление действующей на проводник си­лы.

9.2 Физические величины, описывающие явление электромагнитной силы

Для описания явления электромагнитной силы введены следующие физические величины: механическая сила, действующая на проводник с током в магнитном поле; магнитная индукция магнитного поля; сила электрического тока в проводнике.

Сила электрического тока

Введена для характеристики движения свободных электрически заряженных частиц, создающего магнитное поле

Определение: сила электрического тока – это физическая величина, численно равная отношению количества зарядов, протекающего через поперечное сечение проводника, к промежутку времени его протекания.

Определяющая формула:

,

где – количество заряда, Кл;

– время, с.

Единица – ампер (А).

Величина – скалярная.

Определяется расчетом или измерением с помощью амперметров.

Магнитная индукция

Введена для силовой характеристики магнитного поля.

Определение: магнитная индукция – это физическая величина, численно равная отношению вращающего момента рамки с током к произведению силы тока в рамке на площадь рамки.

Определяющая формула:

,

где – вращающий момент рамки с током, Н^.м;

– сила тока в рамке, А;

– площадь рамки, м².

Единица – тесла (Тл).

Величина – векторная.

Определяется расчетом или измерением с помощью специальных устройств.

Механическая сила

Введена для характеристики взаимодействия проводника с током в магнитном поле.

Обозначение – F.

Единица – ньютон (Н)

Величина – векторная.

Определяется расчетом или измерением с помощью специальных устройств.

9.3 Закон электромагнитной силы (закон Ампера)

Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле, прямопропорциональна магнитной индукции магнитного поля, силе электрического тока в проводнике и длине проводника.

9.4 Математическая запись закона электромагнитной силы

Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле

,

где - магнитная индукция, Тл;

-длина проводника, м;

- сила тока, А;

- угол между направлением тока и вектором магнитной индукции, град.

9.5 Применение явления электромагнитной силы

Явление электромагнитной силы широко используется в технике, например при конструировании электроизмерительных приборов.

В приборах (рис 9.3) имеется рамка из определенного количест­ва витков 3, которая может вращаться меж­ду полюсами 4 постоянного магнита 7. При отсутствии тока в рамке она вместе со стрелкой удерживается в некотором поло­жении с помощью пружинок 2.

В отсутствие тока стрелку можно уста­новить на нулевое деление шкалы при по­мощи специального устройства — корректо­ра 5.

Рис 9.3

Пружинки не только удерживают стрел­ку в некотором положении, но и подводят ток к виткам рамки.

При пропускании тока по виткам рамки на нее действует сила со стороны магнит­ного поля постоянного магнита. Рамка по­ворачивается до тех пор, пока сила, дей­ствующая на рамку, не уравновесится си­лой упругости пружинок. Сила, действую­щая на рамку со стороны магнитного поля, прямо пропорциональна силе тока в рамке. Чем больше сила тока, тем на больший угол отклоняется стрелка.

Таблица 9.1

Номер вопроса, задания	Вопросы, задания	Номер правильного ответа
1	В чём состоит явление электромагнитной силы?
2	Сформулируйте правило левой руки.
3	Сформулируйте закон электромагнитной силы.
4	Приведите примеры использования явления электромагнитной силы в электротехнике.

Таблица 9.1а

Номер ответа	ОТВЕТЫ
1	Если левую руку расположить так, чтобы силовые линии магнитного поля входили в ладонь, а четыре пальца показывали направление тока, то отогнутый большой палец покажет направление силы.
2	При конструировании электроизмерительных приборов, электродвигателей и др.
3	В том, что на проводник с током, помещённый в магнитное поле, действует механическая сила.
4	Сила тем больше, чем сильнее магнитное поле, чем больше сила тока и чем длиннее проводник.