Лабораторна робота №10 вимірювання магнітної індукції
Мета роботи: визначення індукції магнітного поля Землі у точці спостереження балістичним методом та значення горизонтальної складової індукції магнітного поля Землі за допомогою електронного променя осцилографу у якості індикатора магнітного поля.
Прилади та матеріали: котушка з дроту; гальванометр; компас або магнітна стрілка; секундомір; омметр; електронний осцилограф; калька; вимірювальна лінійка.
Теоретичні відомості
Електричні струми створюють навколо себе магнітне поле. Існує й зворотний ефект: магнітне поле викликає появу електричних струмів. Це явище одержало назву електромагнітної індукції. Воно було відкрито Фарадеєм.
Електричний струм виникає в провіднику при його русі в магнітному полі. Збудження струму пояснюється дією сили Лоренца на електричні заряди:
, (10.1)
де
– напруженість електричного поля,
– індукція магнітного поля, q –
елементарний заряд, який рухається в
електричному полі зі швидкістю v.
Ця сила відіграє роль сторонньої сили.
Поле сторонніх сил створює ЕРС, яку
називають в цьому випадку ЕРС індукції
інд:
, (10.2)
де Фm – магнітний потік крізь поверхню, обмежену контуром, який проводить електричний струм. Формула (10.1) виражає основний закон електромагнітної індукції: ЕРС електромагнітної індукції інд, що виникає в замкнутому провіднику, який рухається, пропорційна швидкості збільшення магнітного потоку Фm, що пронизує поверхню, обмежену цим провідником. Знак мінус в формулі (10.1) відповідає закону (або правилу) Ленца: індукційний струм завжди має такий напрямок, при якому його дія (через створюваний їм магнітний потік) протилежна дії причини, яка викликає цей струм.
Сила струму I у провідному контурі, що рухається в магнітному полі, до якого приєднаний гальванічний елемент із ЕРС , визначається формулою
, (10.3)
де R – опір контуру. Дослід показує,
що інд
не залежить від .
Формула (10.3) є закон збереження енергії:
робота гальванічного елемента
дорівнює сумі джоулевої теплоти
та роботи сили Ампера
.
Індукційні струми виникають і в нерухомих провідниках, які поміщують у змінне магнітне поле. Для збудження індукційного струму істотною є зміна магнітного потоку через контур провідника, але не спосіб, яким ця зміна досягається – рухом контуру в постійному магнітному полі або зміною магнітного поля усередині нерухомого контуру.
Відповідно до теорії Максвелла причиною виникнення індукційного струму в провіднику є те, що всяке змінне магнітне поле збуджує в навколишньому середовищі електричне поле . Індукція вектора напруженості електричного поля в будь-якому нерухомому замкнутому контурі L визначається формулою
, (10.4)
де Фm – магнітний потік крізь контур L, або у диференціальній формі
, (10.5)
де – індукція магнітного поля. Вираження (10.4) та (10.5) є еквівалентними (10.2) формулюваннями закону електромагнітної індукції. Таким чином, вони є фундаментальними й входять у систему рівнянь Максвелла як основні, що відбивають взаємозв’язок електричних і магнітних полів. Слід зазначити, що замкнутий контур L в (10.4) може бути проведений не тільки в провіднику, але й у діелектрику. Згідно (10.4) електромагнітна індукція може спостерігатися не тільки у вигляді появи струму в замкнутому провіднику, але й в поляризації діелектрика, в прискоренні або сповільненні руху електричних зарядів і часток, в появі електричного струму в незамкнутому провіднику й інших явищах. Індукційні струми, що виникають у масивних провідниках (наприклад, у мідній пластинці), називають вихровими струмами або струмами Фуко. Вихрові струми утворюють замкнуті ланцюги в товщі провідника. Вони приводять до втрати енергії у вигляді теплоти. Цей ефект використовується в індукційних печах.
Теплову дію струмів Фуко використовують для плавлення металів, нагрівання і поверхневого гартування стальних виробів, а гальмівну – в конструкціях магнітних демпферів – заспокоювачів рухомих стрілок у гальванометрах, сейсмографах та інших приладах.