Электромагниттік индукция

Оқулықтық тірек

• Кронгарт Б., Казахбаева Д., Иманбеков О., Қыстаубаев Т. «Физика. 10-сынып ЖМБ», 10-сынып, Мектеп, 2019, 243–265-б.
• Башарұлы Р., Шүйіншина Ш., Сейфоллина К. «Физика. 8-сынып», 8-сынып, Атамұра, 2018, 21–22, 38, 77, 169–172-б.

Материалдарда жоқ: магнит өрісінде қозғалатын өткізгіштегі ЭҚК формуласы ($\mathcal E=Bvl\sin\alpha$), құйынды электр өрісі және Фуко токтары.

Негізгі ұғымдар

• Электромагниттік индукция — тұйық контурды тесіп өтетін магнит ағыны өзгергенде онда ток пайда болу құбылысы; 1831 ж. М. Фарадей ашты. Пайда болған ток — индукциялық ток.
• Магнит ағыны $\Phi=BS\cos\alpha$, бірлігі вебер (Вб).
• Фарадей заңы: $\mathcal E_i=-\dfrac{\Delta\Phi}{\Delta t}$.
• Ленц ережесі: индукциялық токтың магнит өрісі оны тудырған магнит ағынының өзгерісіне қарсы әрекет етеді (минус таңбасы осыны білдіреді).
• Өздік индукция — контурдағы токтың өзгерісінен сол контурдың өзінде ЭҚК пайда болуы; индуктивтілік $L$ (генри, Гн).

Теория

Фарадей тәжірибесі. Гальванометрге жалғанған катушка ішінде магнит қозғалмай тұрса, ток жоқ. Магнитті кіргізгенде стрелка бір жаққа, шығарғанда — екінші жаққа ауытқиды; қозғалыс неғұрлым жылдам болса, ток соғұрлым үлкен. Қорытынды:

1. ток тек өткізгіш пен магниттің салыстырмалы қозғалысында (ағын өзгергенде) пайда болады;
2. қозғалыс бағыты өзгерсе, ток бағыты өзгереді;
3. ток күші ағынның өзгеру жылдамдығына тәуелді.

Индукция заңы. $N$ орамды катушка үшін $\mathcal E_i=-N\dfrac{\Delta\Phi}{\Delta t}$. Ағын $B$, $S$ немесе $\alpha$ бұрышы өзгергенде өзгереді.

Ленц ережесін қолдану. Магнит катушкаға жақындаса (ағын артса), индукциялық ток магнитті тебетіндей өріс тудырады; алыстаса (ағын азайса) — тартатындай. Бұл энергияның сақталу заңының салдары.

Өздік индукция. $\Phi=LI,\qquad \mathcal E_{si}=-L\frac{\Delta I}{\Delta t}.$ Тізбекті тұйықтағанда ток бірден емес, біртіндеп артады; ажыратқанда ұшқын пайда болуы мүмкін.

Магнит өрісінің энергиясы. $W_m=\frac{LI^2}{2}.$ Механикамен ұқсастық: $L$ — массаның, $I$ — жылдамдықтың аналогы; индуктивтілік электрлік инерттілікті сипаттайды.

Қолданылуы. Генератор механикалық энергияны электр энергиясына түрлендіреді: магнит өрісінде рамка (өнеркәсіпте — ротор-электромагнит) айналып, статор орамаларында ток индукцияланады. Роторды ЖЭС-те бу, ГЭС-те құлаған су, ЖЭС-те (жел) жел айналдырады. Сондай-ақ трансформатор, электроқозғалтқыш, электромагниттік реле, МРТ томографы. Қазақстанда энергияның шамамен 70 %-ы көмір жағудан алынады; Ерейментау ауданы — жел электр станцияларына қолайлы.

Мысалдар

1. $L=0{,}2$ Гн катушкадағы ток 0,04 с ішінде 5 А-ден 0-ге кеміді. $\mathcal E_{si}=0{,}2\cdot\dfrac{5}{0{,}04}=25$ В; бастапқы энергия $W=\dfrac{0{,}2\cdot25}{2}=2{,}5$ Дж.
2. Ауданы 0,01 м² рамка $B=0{,}5$ Тл өріске перпендикуляр. Ағыны? $\Phi=0{,}5\cdot0{,}01=5\cdot10^{-3}$ Вб.
3. 100 орамды катушкадағы ағын 0,1 с-та $5\cdot10^{-3}$ Вб-ге кеміді. $\mathcal E=100\cdot\dfrac{5\cdot10^{-3}}{0{,}1}=5$ В.
4. Ток 2 есе артса, катушка өрісінің энергиясы? $W\sim I^2$ — 4 есе артады.

ҰБТ-дағы жиі қателер

• Катушка ішінде қозғалмай тұрған магнит ток тудырады деу: ағын өзгермесе, ток жоқ.
• ЭҚК ағынның шамасына тәуелді деу: оның өзгеру жылдамдығына тәуелді.
• Рамка жазықтығы сызықтарға параллель болғанда ағын максимал деу: онда $\cos90^\circ=0$, $\Phi=0$.
• Ленц ережесінде индукциялық өріс әрқашан сыртқы өріске қарсы деу: ол сыртқы өрістің өзгерісіне қарсы.
• Орам санын ($N$) ескермеу.

Өзіңді тексер

1. Электромагниттік индукцияны кім, қашан ашты? — М. Фарадей, 1831 ж.
2. Магнит ағынының бірлігі? — Вебер.
3. Индуктивтіліктің бірлігі? — Генри.
4. Генератор қандай энергияны қандай энергияға түрлендіреді? — Механикалықты электр энергиясына.
5. Магнит өрісінің энергиясы? — $W=LI^2/2$.