Електрика і електростатика (стр. 4 из 6)
( 33 )Індукція магнітного поля – відношення сили, що діє на частинку у магнітному полі, до величини електричного заряду частинки та її швидкості руху. У системі СІ індукцію магнітного поля вимірюють у теслах ( Тл. ).
Якщо провідник із струмом помістити у магнітне поле із індукцією поля рівною В, то на провідник буде діяти сила Ампера:
F=ІBlsin α ( 34 ).
Але постає питання як створити магнітне поле ? Перший спосіб – це використати постійні магніти, цей спосіб відомий людству ще із сивої давнини. Але він досить недосконалий, бо з його допомогою не можна отримати потужні магнітні поля із великим значенням індукції магнітного поля В. Лише 1820 році було виявлено зв”язок між електричним та магнітним полем і здійснив це відкриття Ганс Крістіан Ерстед.
Якщо поблизу провідника розмістити декілька магнітних стрілок та пропустити через провідник струм силою І, то ми будемо спостерігати відхилення магнітної стрілки, що свідчить про те, що навколо провідника із струмом утворилося магнітне поле. Значення індукції магнітного поля створеного невеликим елементом провідника Δl, що проводить струм силою І можна обчислити за допомогою формули:
( 35 )Якщо є декілька провідників із струмом і накладається декілька магнітних полів, то результуюча індукція магнітного поля рівна векторній сумі індукцій окремих магнітних полів:
( 36 )Величина індукції магнітного поля у центрі провідного витка дроту із радіусом r, що проводить струм І рівна:
( 37 )Якщо взяти котушку із провідників, відому під назвою соленоїд, а не один виток дроту, то тоді індукція магнітного поля у центрі соленоїда буде рівна:
( 38 )Якщо пропускати електричний струм через два провідники, то навколо них утворяться магнітні поля, які будуть взаємодіяти між собою ( якщо струми проходять у одному напрямі – будуть відштовхуватись, якщо у протилежних – будуть притягуватись ). Силу такої взаємодії визначають за допомогою формули закону Ампера:
( 39 )Із формули закону Ампера виводять означення ампера – це така сила струму, що протікає по двох нескінченно довгих, паралельних провідниках, які розміщені на відстані 1м. у вакуумі, яка створює силу взаємодії між провідниками рівну 2· 10-7 Н/м. Із використанням поняття магнітного поля були побудовані численні пристрої, наприклад, електричні мотори та генератори, аудіо-, відеоапаратура.
Вивчивши основні поняття магнетизму нез”ясованим залишається лише природа самого явища. Всі магнітні явища мають електричну природу. Орбітальний електрон ( рис. 27 ) рухаючись у атомі створює коловий струм, якому відповідає магнітний дипольний
момент атома: m0=I·S, де площа
рівна S=πr2 , а коловий струм рівний:
( 40 ), де f – це частота, чи кількість обертань електрона за одиницю часу. Тому орбітальний магнітний момент атома рівний: 
( 41 )Електрони обертаються навколо ядра і створюють магнітні моменти, тобто атом нагадує звичайний плоский магніт. На додачу до орбітального магнітного моменту атома електрон, який є зарядженою сферою, обертається навколо власної осі і створює обертальний магнітний момент атома
, який ще називають спіном. У атомі електрони, як правило, розміщуються на електронних оболонках атома. Якщо електрони повністю заповнюють електронну оболонку атома, то атом не володіє магнітним моментом. Залізо, нікель та кобальт мають на зовнішній оболонці атома неспарені електрони, які створюють спіновий магнітний момент атома. Тому із цих речовин можна виготовляти постійні магніти. Магнітні властивості обумовлені елементарними атомними струмами, що циркулюють у атомі, тому не можна відділити північний полюс магніта від південного. Хоча деякі вчені і намагаються виявити магнітні монополі, тобто частинки із одним, ізольованим магнітним полюсом.Електромагнітна індукція.
Закон електромагнітної індукції Фарадея.
Якщо струм у провіднику створює магнітне поле, то логічний було б припустити, що можливий і зворотний процес, тобто із допомогою магнітного поля створити електричний струм. Шлях отримання електричного струму за допомогою магнітного поля відкрили два вчених, ще у ХІХ столітті. Це були Майкл Фарадей та Джозеф Генрі. Перш ніж розглянути це відкриття ми встановимо поняття потоку магнітного поля.
Потік магнітного поля Ф – це кількість ліній магнітного поля, що проходять перпендикулярно до поверхні. На рисунку 28 показано напрям вектора магнітної індукції, що проходить через певну поверхню. Магнітний потік рівний: Ф=В· S·соsα . Вимірюють магнітний потік у теслах (Тл.). Майкл Фарадей відкрив явище електромагнітної індукції, згідно якого змінне у часі магнітне поле, що проходить через провідник, індукує в ньому електрорушійну силу:
( 42 )Якщо для дослідів використати котушку із намотаним дротом, то електрорушійна сила буде рівна:
( 43 ) , де N – це кількість витків дроту у котушці.Знак “ – “ у формулах ( 42 ) – ( 43 ) дуже важливий. Пояснити його можна за допомогою закону Ленца, у якому сказано, що індукований у колі струм має такий напрям, що його власне магнітне поле протидіє впливу зовнішнього магнітного поля, що створило даний струм. Оскільки змінне магнітне поле індукує ЕРС, то явище електромагнітної індукції можна використати для створення генератора змінного струму. Для цього рамку із дроту поміщають у магнітне поле та обертають її із частотою f. Під час обертання рамки потік магнітного поля Ф через площу рамки постійно змінюється і у рамці буде індукуватись змінна ЕРС, що рівна:
( 44 ),де ω - це кутова швидкість обертання рамки із дротом. Вираз ( 44 ) можна переписати у вигляді:
( 45 ), якщо припустити, що добуток ωSB рівний максимальному ( амплітудному ) значення ЕРС. Якщо виводи рамки приєднати до резистора із опором R, то струм у колі за законом Ома буде рівний: 
( 46 ), де амплітудне значення струму: 
(47). За таких умов змінний струм можна обчислити за допомогою формули: 
( 48 ).У практичних цілях, для одержання більших значеннь електрорушійної сили на рамку намотують велику кількість витків дроту ( N витків ) і тоді результуюча ЕРС зросте у N разів:
( 49 ).Якщо є два коаксіальні соленоїди і по обмотці одного із них протікає змінний струм, то у обмотці другого соленоїда буде індукуватись змінна ЕРС, це явище одержало назву взаємної індукції. ЕРС у другій обмотці можна визначити за формулою:
( 50 ), де М – це певна стала, що залежить лише від геометрії соленоїда, чи іншої котушки: 
( 51 ). Змінне магнітне поле індукує ЕРС не лише у інших обмотках, але й і у своїй власній обмотці, цей процес одержав назву самоіндукції.Енергія магнітного поля рівна:
( 52 ), де L - це індуктивність котушки із струмом.Кола змінного струму.
а) ефективні значення сили струму та напруги у колах змінного струму.
Історично першим вчені почали вивчати постійний струм, це пояснюється відкриттям електричної батареї та складністю одержання змінного струму. Але у наш час змінний струм використовується набагато частіше ніж постійний струм. Це пояснюється простотою передачі змінного струму на великі відстані, легкістю зміни значення напруги чи сили струму. Маючи знання про електромагнітну індукцію, ми знаємо, що обертання рамки у магнітному полі приводить до появи у рамі змінної ЕРС, значення якої рівне:
( 53 ),де ω - це кутова швидкість обертання рамки із дротом. Вираз ( 53 ) можна переписати у вигляді:
(54), де амплітудне значення ЕРС рівне: Е0=ωSB ( 55 ).Змінний струм у рамці:
(56), де амплітудне значення струму: 
( 57 ). За таких умов змінний струм можна обчислити за допомогою формули: 
(58). На відміну від постійного струму, у якому заряди рухаються в одному напрямку, в змінному струмі вони рухаються спочатку в одному напрямі, а далі у протилежному йому.