- •Методичний посібник з фізики
- •Електрика та магнетизм Питання програми
- •Основні поняття, закони, формули Основи електростатики
- •Закони постійного струму Характеристики електричного струму:
- •Електричний струм у різних середовищах.
- •Магнітне поле, електромагнітна індукція
- •Приклади розв’язування задач
- •Оптика. Фізика атома і атомного ядра Питання програми
- •Основні закони і формули Геометрична оптика
- •Довжина світлової хвилі в середовищі
- •Хвильова оптика
- •Світлові кванти.
- •Атом та атомне ядро.
- •Приклади розв’язування задач
- •Фізичні константи
Магнітне поле, електромагнітна індукція
Навколо зарядів, що рухаються, виникає магнітне поле, яке діє на провідник зі струмом, або заряд. Сила, з якою магнітне поле діє на провідник зі струмом, називають силою Ампера. Сила Ампера в однорідному магнітному полі дорівнює FA = BIsin, де B – індукція магнітного поля, силова характеристика цього поля, - довжина провідника з силою струму I в цьому провіднику, - кут між напрямом струму і індукцією магнітного поля.
Наведена формула – це математичний запис закону Ампера, з якого можна дати означення індукції магнітного поля.
Індукція магнітного поля, що створюється струмом I при проходженні по нескінченно довгому провіднику, в точці, розташованій на найкоротшій відстані r від цього провідника, чисельно дорівнює
В=
де μ – магнітна проникність середовища, μ0 = 4π10-7 Гн/м – магнітна стала.
Напрямок визначається за напрямом свердлика. На рис.6 показано напрямок векторадля прямолінійного і колового провідника зі струмом. Індукція магнітного поля вимірюється в теслах (Тл ).
Сила, що діє на заряд q, що рухається у магнітному полі індукцією В зі швидкістю , називається силою Лоренца. ЇЇ чисельне значення дорівнює:
Fл = q В sin, де - кут між векторами і.
Якщо =, то частинка з зарядом q рухається по коловій орбіті, радіус якої дорівнює R =,
де і В – чисельне значення відповідно швидкості руху частини і індукції магнітного поля. При цьому період обертання частинки по колу
Т = q, де m – маса частинки.
Число силових ліній індукції однорідного магнітного поля, що перетинає деяку площадку, перпендикулярну до силових ліній називають магнітним потоком Ф = ВS cos , де - кут між вектором і нормаллю до площадки.
Магнітний потік вимірюється у веберах 1 Вб= 1Тл 1м2.
Під дією сили Ампера провідник зі струмом I переміщується у магнітному полі, отже робота по переміщенню провідника зі струмом у магнітному полі дорівнює добутку сили струму у провіднику на зміну магнітного потоку через площу, яку описує провідник при його русі: ΔА = I ΔФ
У просторі, де існує змінне поле виникає вихрове електричне поле, а тому в замкненому контурі, що вміщений у змінне магнітне поле, виникає ЕРС індукції, величина і напрямок якої визначається законом Фарадея:
εі = - ,
де ΔФ – зміна магнітного потоку через поверхню, обмежену контуром, за час Δt . Знак (-) вказує на напрямок індукційного струму.
Частковим випадком електромагнітної індукції є явище самоіндукції – явище виникнення у провідному контурі ЕРС при зміні сили струму в цьому контурі ЕРС самоіндукції обчислюється за формулою
εсі = - L , де L – індуктивність контура, - швидкість зміни сили струму у контурі.
Індуктивність контура – фізична величина, що чисельно дорівнює власному магнітному потоку контура при одиничній силі струму в ньому, вимірюється в генрі (Гн): [L] = Гн = .
Енергія магнітного поля струму – це величина, чисельно рівна роботі, що витрачається на подолання ЕРС самоіндукції при створенні цього струму:
Wм=,
де L – індуктивність контура, I – сила струму в контурі.
Контур, що складається з послідовно з’єднаного конденсатора С, котушки індуктивності L, називають ідеальним. В коливальному контурі за гармонічним законом змінюється заряд на пластинах конденсатора, наприклад q = q0 sin (ώ0t + φ),
де q0 – амплітуда (максимальне) значення заряду на обкладках конденсатора, ώ0 – циклічна частота електромеханічних коливань ώ0 = , φ – початкова фаза.
Період коливань визначається за формулою Томсона
Т = 2π
При цьому сила струму в контурі змінюється за законом
I= =ώ0q0 cos (ώ0t + φ) = ώ 0q0 sin (ώ0t + φ+ ),ώ0q= I0 амплітуда сили струму, а напруга на пластинах конденсатора Uc = sin(ώ0t + φ).
В ідеальному коливальному контурі максимальна енергія електричного поля конденсатора дорівнює максимальній енергії магнітного поля, тобто
=
В реальному коливальному контурі відбувається втрати енергії електричного поля на нагрівання провідника, а тому для отримання в такому контурі незатухаючих коливань ці втрати компенсують дією зовнішньої ЕРС, яка змінюється за гармонічним законом, наприклад
εз = ε0cos Ωt ,
де Ω – циклічна частота зовнішньої ЕРС, ε0 – її амплітуда. В такому контурі сила струму змінюється за гармонічним законом I= I0 cos (Ωt + φ),
де I0- амплітуда сили струму.
I0 =
Z =-повний опір кола, R – активний опір, RL = ΩL – опір котушки змінного струму, Rс = - опір конденсатора змінному струму. RL і Rс називають реактивними опорами, φ – зсув фаз між силою струму і зовнішньою ЕРС.