ПІДБИВАЄМО ПІДСУМКИ

• Назад до змісту довідника

ПІДБИВАЄМО ПІДСУМКИ

1. Що є причиною виникнення магнітного поля? Як його описати та графічно зобразити?

Магнітне поле створюється рухомими електричними зарядами, провідниками зі струмом, постійними магнітами, а також змінними електричними полями.

Силовою характеристикою поля є магнітна індукція $\vec{B}$, одиниця якої в СІ — тесла ($\text{Тл}$). Вектор $\vec{B}$показує величину й орієнтацію сили дії поля на рухомий заряд або провідник зі струмом у певній точці простору. Графічно поле зображують за допомогою замкнених неперервних ліній магнітної індукції. Дотична до лінії в будь-якій точці збігається з напрямком вектора $\vec{B}$, на який вказує північний полюс ($\text{N}$) вільної магнітної стрілки. Лінії магнітної індукції виходять із північного полюса магніту та входять у південний ($\text{S}$).

2. Чому одні тіла проявляють магнітні властивості, а інші — ні?

Магнітні властивості речовин залежать від мікроскопічних магнітних полів електронів, що обертаються навколо ядер і мають власний спін.

У феромагнетиках (залізо, сталь, нікель, кобальт) магнітні поля атомів спонтанно орієнтуються в одному напрямку всередині мікроскопічних ділянок — доменів. Під дією зовнішнього поля домени швидко вибудовуються вздовж ліній індукції, багаторазово підсилюючи поле навколо себе. У парамагнетиках і діамагнетиках доменної структури немає, тому їхні атоми не створюють потужного результуючого поля: парамагнетики підсилюють поле лише на долі відсотка, а діамагнетики незначно виштовхуються з нього.

3. Як поводиться провідник зі струмом у магнітному полі?

На прямолінійний провідник зі струмом, розміщений в однорідному магнітному полі, діє виштовхувальна або втягувальна сила Ампера:

$F_{\text{А}} = B \cdot I \cdot \Delta l \cdot \sin \alpha$

де $B$ — індукція магнітного поля, I — сила струму в провіднику, $\Delta l$ — довжина ділянки провідника, що перебуває в магнітному полі, $\alpha$ — кут між напрямком струму і вектором магнітної індукції $\vec{B}$.

Напрямок сили Ампера знаходять за правилом лівої руки: долоню розташовують так, щоб лінії магнітного поля входили в неї, чотири витягнуті пальці спрямовують за струмом, тоді відігнутий на $90^\circ$ великий палець показує напрямок сили дії поля на провідник.

4. За яких умов магнітне поле створює електричний струм?

Електричний струм утворюється в замкненому провідному контурі тільки тоді, коли магнітний потік крізь цей контур змінюється із часом. Це явище має назву електромагнітної індукції.

За правилом Ленца виникаючий індукційний струм завжди має такий напрямок, що створене ним власне магнітне поле протидіє зміні зовнішнього магнітного потоку, яка спричинила цей струм.

5. Яке практичне значення має явище електромагнітної індукції?

Електромагнітна індукція забезпечує роботу промислових електрогенераторів на теплових, гідравлічних, атомних і вітрових електростанціях. На цьому явищі працюють підвищувальні та знижувальні електричні трансформатори для ліній електропередач, індукційні плавильні печі, побутові кухонні панелі, бездротові зарядні пристрої, чутливі детектори металу та картриджі зчитування звуку.

6. Що є джерелом електромагнітних хвиль?

Джерелом електромагнітних хвиль є електричні заряди, які рухаються з прискоренням.

Змінний струм високої частоти в антені являє собою коливальний прискорений рух електронів. Прискорені заряди збуджують у просторі змінне електричне поле, яке породжує змінне магнітне поле. Обидва поля зв’язані одне з одним, неперервно утворюють одне одного і відриваються від джерела у формі електромагнітної хвилі, що поширюється зі швидкістю світла.

ПЕРЕВІР СЕБЕ

1. Як ти умієш досліджувати природу

• Сформулюй гіпотезу: як саме магнітне поле може змінювати роботу годинникового механізму; які матеріали можуть послаблювати дію магнітного поля?

Зовнішнє магнітне поле намагнічує сталеві деталі годинника (зубчасті колеса, анкерну вилку, волоскову пружину балансу), тому між ними виникає магнітне притягання, хід годинника сповільнюється або механізм повністю зупиняється. Матеріали з високою магнітною проникністю (залізо, електротехнічна або вуглецева сталь) замикають лінії поля всередині своїх стінок і захищають прилад, тоді як діамагнетики та парамагнетики не послаблюють постійне поле.

• Яке джерело магнітного поля ти використаєш у досліді?

У досліді застосовується постійний неодимовий магніт або сильний лабораторний електромагніт із регульованою силою струму.

• Як перевіриш, що магнітне поле діє на прилад?

Для перевірки годинник підносять до магніту та фіксують відхилення показів відліку секундної стрілки від еталонного таймера, або фіксують зупинку коливань колеса балансира за допомогою оптичної лупи.

• Які матеріали обереш як захисні екрани?

Для досліду беруться зразки у формі однакових кришок або коробок: папір (картон), пластик, листковий алюміній, м’яка конструкційна сталь і листове залізо.

• Які змінні у твоєму дослідженні: незалежні, залежні та контрольовані?

Незалежна змінна: матеріал захисного екрана та його товщина. Залежна змінна: величина індукції магнітного поля всередині екрана (виміряна цифровим датчиком Холла або тесламетром) і стабільність ходу годинникового механізму. Контрольовані (сталі) змінні: відстань від джерела поля до приладу, орієнтація магніту, температура повітря та початковий завод годинника.

• Які ознаки впливу магнітного поля ти будеш фіксувати?

Фіксується різниця в секундах між ходом досліджуваного годинника і точним цифровим секундоміром за однаковий проміжок часу, факт зупинки балансира, а також відхилення стрілки магнітного компаса всередині екрана.

• Які матеріали виявилися ефективними для захисту?

Ефективний захист забезпечують виключно замкнені екрани зі сталі та м’якого заліза. Папір, пластик та алюміній практично не змінюють величину постійного магнітного поля і не захищають механізм.

• Чому саме ці матеріали краще виконують захисну функцію?

Залізо та сталь належать до феромагнетиків і мають велику відносну магнітну проникність ($\mu \gg 1$). Лінії магнітної індукції згущуються в товщі металевої оболонки та йдуть по контуру стінок екрана, оминаючи внутрішній порожнистий простір, де розташований прилад.

• Чи завжди «екранування» означає повне блокування магнітного поля?

Екранування не є повним знищенням поля. Воно просто перерозподіляє магнітний потік і спрямовує його вздовж стінок екрана, тому невелика частина ліній усе одно може проникати всередину через щілини, отвори або в разі насичення феромагнетика надто сильним зовнішнім полем.

• Яку роль відіграють властивості речовини (магнітні властивості)?

Магнітні властивості визначають магнітну проникність речовини: феромагнетики активно втягують і концентрують магнітні лінії всередині себе, тому вони придатні для магнітного захисту, а діамагнетики й парамагнетики взаємодіють із полем слабко і захисних властивостей для постійного поля не створюють.

2. Як ти умієш опрацьовувати інформацію

Як перспективну професію я обираю спеціальність інженера електротехнічних систем і відновлюваної енергетики.

• У яких професійних діях представників обраної спеціальності застосовуються знання про магнітні явища:

Інженер розраховує та конструює магнітні системи генераторів вітрових і сонячних станцій, проектувати тягові електродвигуни електромобілів, налаштовує понижувальні трансформатори розподільчих підстанцій і контролює електромагнітне екранування кабельних ліній зв’язку від перешкод.

• Які фізичні формули, закони, правила вони фактично застосовують у роботі:

• Закон електромагнітної індукції Фарадея та розрахунок електрорушійної сили: $\mathcal{E} = -\dfrac{\Delta \Phi}{\Delta t}$ (для розрахунку напруги на клемах генератора).
• Формула магнітного потоку через контур: $\Phi = B \cdot S \cdot \cos \alpha$.
• Формула сили Ампера: $F_{\text{А}} = B \cdot I \cdot l \cdot \sin \alpha$ (для визначення обертального моменту ротора двигуна).
• Правило лівої руки (для напрямку сили руху обмотки) та правило свердлика (для розрахунку магнітного поля соленоїдів і статорних котушок).

• Які наслідки може мати помилка в розумінні магнітних явищ (ризики, аварії, неточності):

Помилка в розрахунку магнітної індукції або перерізу магнітопроводу призводить до перегріву та міжвиткового замикання обмоток трансформаторів, руйнування ізоляції та великих пожеж на підстанціях. Неправильне врахування сил Ампера під час коротких замикань викликає механічне деформування рейок і шин струмопроводів під дією електродинамічних ударних сил.

3. Як ти усвідомлюєш закономірності природи

Дано:

• $l = 0{,}1\text{ м}$
• $m = 20\text{ г} = 0{,}02\text{ кг}$
• $B = 0{,}5\text{ Тл}$
• $I = 4\text{ А}$
• $\mu = 0{,}1$
• $s = 50\text{ см} = 0{,}5\text{ м}$
• $v_0 = 0\text{ м/с}$
• $g = 9{,}8\text{ м/с}^2$ (для інженерного розрахунку $g = 10\text{ м/с}^2$)

Знайти:

• $F_{\text{А}} - ?$
• $F_{\text{тер}} - ?$
• $a - ?$
• $v - ?$

Розв’язання:

Система являє собою модель рейкотрона, де провідний стрижень рухається горизонтально під дією сили Ампера та зазнає опору сили тертя. Магнітне поле напрямлене вертикально, тому кут між вектором магнітної індукції та віссю перемички зі струмом дорівнює $\alpha = 90^\circ$ ($\sin 90^\circ = 1$).

Сила Ампера, що штовхає перемичку вперед уздовж рейок:
$F_{\text{А}} = B \cdot I \cdot l$
$F_{\text{А}} = 0{,}5\text{ Тл} \cdot 4\text{ А} \cdot 0{,}1\text{ м} = 0{,}2\text{ Н}$

Сила нормального тиску перемички на рейки дорівнює силі тяжіння: $N = m \cdot g$.
Сила тертя ковзання:
$F_{\text{тер}} = \mu \cdot m \cdot g$
$F_{\text{тер}} = 0{,}1 \cdot 0{,}02\text{ кг} \cdot 9{,}8\text{ м/с}^2 = 0{,}0196\text{ Н} \approx 0{,}02\text{ Н}$
(якщо прийняти $g = 10\text{ м/с}^2$, то $F_{\text{тер}} = 0{,}1 \cdot 0{,}02 \cdot 10 = 0{,}02\text{ Н}$).

Рівнодійна сила, спрямована вздовж рейок у напрямку руху:
$F_{\text{рівн}} = F_{\text{А}} - F_{\text{тер}} = 0{,}2\text{ Н} - 0{,}02\text{ Н} = 0{,}18\text{ Н}$

Прискорення перемички за другим законом Ньютона:
$a = \dfrac{F_{\text{рівн}}}{m}$
$a = \dfrac{0{,}18\text{ Н}}{0{,}02\text{ кг}} = 9\text{ м/с}^2$

Швидкість перемички наприкінці шляху розгону ($s = 0{,}5\text{ м}$) при початковому стані спокою ($v_0 = 0$):
$v = \sqrt{2 \cdot a \cdot s}$
$v = \sqrt{2 \cdot 9\text{ м/с}^2 \cdot 0{,}5\text{ м}} = \sqrt{9} = 3\text{ м/с}$

Час руху перемички по рейках:
$t = \dfrac{v}{a} = \dfrac{3\text{ м/с}}{9\text{ м/с}^2} \approx 0{,}33\text{ с}$

Відповідь:

• сила Ампера $F_{\text{А}} = 0{,}2\text{ Н}$;
• сила тертя $F_{\text{тер}} \approx 0{,}02\text{ Н}$;
• прискорення $a = 9\text{ м/с}^2$;
• швидкість на вильоті $v = 3\text{ м/с}$ (час розгону $t \approx 0{,}33\text{ с}$).