Гіпермаркет Знань>>Фізика і астрономія>>Фізика 11 клас>> Фізика: ЕРС індукції в рухомих провідниках. Електродинамічний мікрофон

ЕРС ІНДУКЦІЇ В РУХОМИХ ПРОВІДНИКАХ. ЕЛЕКТРОДИНАМІЧНИЙ МІКРОФОН

ЕРС ІНДУКЦІЇ У РУХОМОМУ ПРОВІДНИКУ

У попередньому параграфі було встановлено, що між кінцями провідника, який рівномірно рухається в однорідному магнітному полі, з'являється різниця потенціалів. Якщо такий провідник увімкнути в електричне коло, частина якого знаходиться за межами поля, то в ньому виникне електричний струм. Напрямок цього струму в провіднику можна визначити, якщо відомі знаки зарядів на кінцях провідника і якщо вважати його джерелом струму. Проте цей шлях не завжди раціональний, особливо при розв'язуванні задач практичного характеру. Тому на практиці напрямок струму, який з являється в колі внаслідок електромагнітної індукції, визначають за правилом правої руки (мал. 1.8):

Якщо праву руку розмістити в полі так, щоб лінії магнітної індукції входили в долоню, відставлений великий палець відповідав би напрямку руху провідника, то витягнуті пальці руки вкажуть напрям індукційного струму в провіднику.

Для тривалого існування електричного струму в колі потрібно, щоб різниця потенціалів не зникала. А це можливо в разі безперервного руху провідника, коли відбувається постійне розділення позитивно і негативно заряджених частинок. Таке розділення здійснюється під впливом сили Лоренца, яка є силою неелектростатичного походження.

Знаючи природу електричного струму в провіднику, який рухається в магнітному полі, розрахуємо електрорушійну силу (ЕРС), яка виникає внаслідок явища електромагнітної індукції.

ЕРС індукції визначимо для випадку, коли прямий провідник, що становить частину замкнутого електричного кола, рівномірно рухається в однорідному магнітному полі.

Оскільки електричне коло замкнуте, то в ньому існує електричний струм, а на провідник у магнітному полі діє сила Ампера (мал. 1.9):

де В — модуль вектора магнітної індукції; /—сила труму в провіднику; / — довжина провідника; а — кут між напрямком струму в провіднику і вектором магнітної індукції.

Струм у провіднику має такий напрямок, що сила Ампера, яка діятиме на провідник, надаватиме йому від ємного прискорення, тобто «гальмуватиме» рух провідника зі струмом. Щоб провідник рухався рівномірно, (умова існування постійного електричного струму), до нього потрібно прикласти механічну силу, що за модулем дорівнює силі Ампера, але протилежна їй за напрямком:

Механічна сила виконуватиме роботу з розділення заряджених частинок. Якщо за певний інтервал часу Δt провідник здійснить переміщення Δs, то ця робота дорівнюватиме

де q — загальний заряд переміщених частинок; Δt — інтервал часу, за який здійснено переміщення. Підставивши значення сили струму у формулу роботи, дістанемо

За означенням ЕРС дорівнює відношенню роботи сторонніх сил щодо розділення заряджених частинок до заряду всіх цих частинок:

Отже, для випадку, коли провідник рівномірно рухається в однорідному магнітному полі, отримаємо значення ЕРС індукції:

Ця залежність така сама, як і в формулі для розрахунку різниці потенціалів (див. §2). Такий збіг не випадковий, адже в розімкнутому колі ЕРС джерела струму дорівнює різниці потенціалів на його полюсах.

Механічна сила виконує роботу проти сили Ампера

Силу Ампера і її роботу можна виразити через заряд переміщених частинок

ІНДУКЦІЙНЕ ЕЛЕКТРИЧНЕ ПОЛЕ

У попередньому параграфі розглянуто приклад, коли ЕРС індукції виникає в провіднику, що рухається в магнітному полі, індукція якого залишається сталою (поле однорідне). Проте можливий випадок, коли в системі відліку, в якій виявляється магнітне поле, провідник залишається нерухомим, а змінюється магнітна індукція.

Нерухомий провідник у змінному магнітному полі

Закріпимо провідник у штативі, а його вільні кінці приєднаємо до гальванометра. Стрілка гальванометра не відхиляється, що засвідчує відсутність струму в провіднику. Розмістимо електромагніт так, щоб провідник опинився між його полюсами. Жодних змін у показах гальванометра також не спостерігається. Увімкнемо електромагніт в електричне коло, що складається з джерела струму, реостата і амперметра. У момент замикання кола живлення стрілка гальванометра спочатку відхилиться на певну кількість поділок і відразу ж повернеться на нульову поділку. Подібне спостерігається і під час переміщення повзунка реостата, коли змінюється сила струму в обмотці електромагніта.

Пояснити це явище дією сили Лоренца тут неможливо, оскільки швидкість провідника в даній системі відліку дорівнює нулю. Проте сам факт існування електричного струму засвідчує, що на електрично заряджені частинки в провіднику діє електричне поле. Існування такого поля підтверджується дослідами, а його походження пояснює теорія Максвелла. За цією теорією, в системі відліку, в якій спостерігається змінне магнітне поле, виявляється електричне поле. На відміну від електростатичного поля воно має деякі специфічні властивості. Оскільки воно діє на нерухомі електрично заряджені частинки, то назване електричним. Однак, це поле виконує роботу з переміщення заряджених частинок замкнутим контуром, тому воно не потенціальне. Його лінії напруженості замкнуті, тому його називають вихровим.

Лінії напруженості індукованого електричного поля охоплюють лінії індукції змінного магнітного поля і становлять з ними єдину систему. Напрямок ліній напруженості індукованого електричного поля можна визначити за правилом лівого гвинта (мал. 1.10).

Отже, в нерухомому замкнутому провіднику, який знаходиться в змінному магнітному полі, виникає ЕРС індукції

Електромагнітна індукція спостерігається і тоді, коли провідник буде нерухомим у системі відліку, в якій виявляється змінне магнітне поле

Якщо напрямок поступального руху лівого гвинта збігається з напрямком зростання магнітної індукції поля, то його обертальний рух вказує напрямок ліній напруженості вихрового електричного поля

Реальність існування індукційного електричного поля підтверджено дослідами і дією багатьох технічних приладів і пристроїв. Одним із таких пристроїв є прискорювач електронів — бетатрон. Основною його частиною (мал. 1.11)

є тороїдальна герметична камера 1, з якої викачане повітря. Камера розміщена між полюсами потужного електромагніта 2. За допомогою спеціального пристрою в камеру впускають пучок вільних електронів, одержаних за допомогою термоелектронної емісії. Одночасно із впусканням електронів вмикають коло живлення електромагніта. Струм у його обмотках зростає поступово, досягаючи свого максимального значення за деякий, досить короткий час. Унаслідок цього зростають індукція магнітного поля та швидкість електронів у вакуумній камері. Це і є підтвердженням того, що зі зростанням індукції магнітного поля на електрони діє електричне поле, вектор напруженості якого перпендикулярний до вектора магнітної індукції електромагніта.

ЕЛЕКТРОДИНАМІЧНИЙ МІКРОФОН

Одним із прикладів практичного застосування явиша електромагнітної індукції є електродинамічний мікрофон. За його допомогою звукові коливання перетворюють на коливання електричного струму, які підсилюються за допомогою спеціальних електронних підсилювачів.

Обов'язковою частиною електродинамічного мікрофона є постійний магніт у вигляді кільця (мал. 1.20).

До одного з полюсів цього магніту приклеєно циліндричний стержень 1 з м'якого феромагнетика (заліза). До другого — феромагнітну пластинку 2 з такого самого феромагнетика. У центрі цієї пластинки зроблено круглий отвір, який охоплює циліндричний стержень. Діаметр отвору дещо більший за діаметр стержня, внаслідок чого між стержнем і пластиною утворюється вузька кільцева щілина 5, в якій зосереджується практично весь магнітний потік магніту. Над стержнем знаходиться мембрана З, яка під дією звукових хвиль може коливатися. До нижньої частини мембрани приклеєно невелику котушку 4 з деякою кількістю витків ізольованого дроту. Котушка знаходиться в кільцевій щілині між полюсами постійного магніту. Виводи котушки гнучкими провідниками приєднані до спеціальних клем.

Мікрофони перетворюють звукові коливання в електричні

В електродинамічному мікрофоні рухома котушка знаходиться в магнітному полі

У рухомій котушці, яка знаходиться в магнітному полі, виникає ЕРС індукції

Якщо на мембрану мікрофона потрапляють звукові хвилі, вона починає коливатися разом із котушкою. Під час коливального руху котушки магнітний потік, який проходить крізь неї, змінюється, і в ній індукується змінна ЕРС індукції. Якщо котушка ввімкнена в коло електронного підсилювача, то електричні коливання підсилюються, і можуть бути або записані на магнітний чи  оптичний диск, або відразу відтворені гучномовцем.

Принцип дії електродинамічного мікрофона використовують також у різних датчиках для вивчення і контролю коливальних процесів.

ЗАПИТАННЯ
1. Що характеризує ЕРС індукції?
2. Яка сила розділяє заряджені частинки в провіднику при його русі в магнітному полі?
3. Від чого залежить значення ЕРС індукції?
4. Чому збігаються формули для визначення ЕРС і різниці потенціалів за електромагнітної індукції?
5. Чому в замкнутому нерухомому провіднику в разі зміни магнітної індукції поля з'являється електричний струм?
6. Які властивості має індуковане електричне поле?
7. Який зв'язок вихрового електричного поля зі змінним магнітним полем?
8. Як визначають напрямок ліній напруженості індукованого електричного поля?
9. Чому в бетатроні використовують змінне магнітне поле?
10. Яке фізичне явище використовується в динамічному мікрофоні?
11. Для чого котушку мікрофона розміщують між полюсами постійного магніту у вузькій щілині?
12. Як відбувається перетворення механічних коливань на коливання електричного струму?
13. Де застосовують електродинамічні мікрофони?
14. У яких інших приладах використовують принцип дії електродинамічного мікрофона?

Є.В. Коршак, О.І. Ляшенко, В.Ф. Савченко, Фізика, 11 клас
Вислано читачами з інтернет-сайтів  

_{Планування уроків з фізики, відповіді на тести, завдання та відповіді по класам, домашнє завдання та робота з фізики для 11 класу}

Зміст уроку
 конспект уроку і опорний каркас                      
 презентація уроку 
 акселеративні методи та інтерактивні технології
 закриті вправи (тільки для використання вчителями)
 оцінювання 

Практика
 задачі та вправи,самоперевірка 
 практикуми, лабораторні, кейси
 рівень складності задач: звичайний, високий, олімпійський
 домашнє завдання 

Ілюстрації
 ілюстрації: відеокліпи, аудіо, фотографії, графіки, таблиці, комікси, мультимедіа
 реферати
 фішки для допитливих
 шпаргалки
 гумор, притчі, приколи, приказки, кросворди, цитати

Доповнення
 зовнішнє незалежне тестування (ЗНТ)
 підручники основні і допоміжні 
 тематичні свята, девізи 
 статті 
 національні особливості
 словник термінів                          
 інше 

Тільки для вчителів
 ідеальні уроки 
 календарний план на рік 
 методичні рекомендації 
 програми
 обговорення

Если у вас есть исправления или предложения к данному уроку, напишите нам.

Если вы хотите увидеть другие корректировки и пожелания к урокам, смотрите здесь - Образовательный форум.