2.10. МАГНИТНЫЙ ПОТОК

Для того чтобы уяснить смысл нового для нас понятия «магнитный поток», подробно разберем несколько опытов с наведением ЭДС, обращая внимание на количественную сторону производимых наблюдений.

В наших опытах будем пользоваться установкой, изображенной на рис. 2.24.

Она состоит из большой многовитковой катушки, намотанной, скажем, на трубу из плотного проклеенного картона. Питание катушки производится от аккумулятора через рубильник и регулировочный реостат. О величине тока, устанавливающегося в катушке, можно судить по амперметру (на рис. 2.24 не показан).

Внутри большой катушки может устанавливаться другая маленькая катушка, концы которой подведены к магнитоэлектрическому прибору — гальванометру.

Для наглядности рисунка часть катушки показана вырезанной — это позволяет увидеть расположение маленькой катушки.

При замыкании или размыкании рубильника в маленькой катушке наводится ЭДС и стрелка гальванометра на короткое время отбрасывается из нулевого положения.

По отклонению можно судить о том, в каком случае на веденная ЭДС больше, в каком меньше.

Рис. 2.24. Устройство, на котором можно изучать наведение ЭДС изменяющимся магнитным полем

Замечая число делений, на какое отбрасывается стрелка, можно количественно сравнивать действие, производимое наведенными ЭДС.

Первое наблюдение. Вставив внутрь большой катушки маленькую, закрепим ее и пока не будем ничего изменять в их расположении.

Включим рубильник и, меняя сопротивление реостата, включенного вслед за аккумулятором, установим определенное значение тока, например

Произведем теперь выключение рубильника, наблюдая за гальванометром. Пусть его отброс n окажется равным 5 делениям вправо:

когда выключается ток 1 А.

Снова включим рубильник и, меняя сопротивление, увеличим ток большой катушки до 4 А.

Дадим гальванометру успокоиться, и снова выключим рубильник, наблюдая за гальванометром.

Если его отброс составлял 5 делений при выключении тока 1 А, то теперь при выключении 4 А заметим, что отброс увеличился в 4 раза:

когда выключается ток 4 А.

Продолжая такие наблюдения, легко заключить, что отброс гальванометра, а значит, и наведенная ЭДС возрастают пропорционально росту отключаемого тока.

Но мы знаем, что изменение тока вызывает изменение магнитного поля (его индукции), поэтому правильный вывод из нашего наблюдения такой:

наводимая ЭДС пропорциональна скорости изменения магнитной индукции.

Более подробные наблюдения подтверждают правильность этого вывода.

Второе наблюдение. Продолжим наблюдение за отбросом гальванометра, производя выключение одного и того же тока, скажем, 1—4 А. Но будем изменять число витков N маленькой катушки, оставляя неизменными ее расположение и размеры.

Предположим, что отброс гальванометра

наблюдался при (100 витков на малой катушке).

Как изменится отброс гальванометра, если удвоить число витков?

Опыт показывает, что

Именно этого и следовало ожидать.

В самом деле, все витки маленькой катушки находятся под одинаковым воздействием магнитного поля, и в каждом витке должна наводиться, одинаковая ЭДС.

Обозначим ЭДС одного витка буквой Ей тогда ЭДС 100 витков, включенных последовательно один за другим, должна быть в 100 раз больше:

При 200 витках

При любом ином числе витков

Если ЭДС возрастает пропорционально числу витков, то само собой разумеется и то, что отброс гальванометра должен быть тоже пропорционален числу витков.

Это и показывает опыт. Итак,

наводимая ЭДС пропорциональна числу витков.

Еще раз подчеркиваем, что размеры маленькой катушки и ее расположение во время нашего опыта оставались неизменными. Само собой разумеется, что опыт проводился в одной и той же большой катушке при выключении того же тока.

Третье наблюдение. Проделав несколько опытов с одной и той же маленькой катушкой при неизменности включаемого тока, легко убедиться в том, что величина наводимой ЭДС зависит от того, как расположена маленькая катушка.

Для наблюдения зависимости наводимой ЭДС от положения маленькой катушки усовершенствуем несколько нашу установку (рис. 2.25).

К выходящему наружу концу оси маленькой катушки приделаем указательную стрелку и круг с делением (вроде

Рис. 2.25. Устройство для поворачивания маленькой катушки, закрепленной на стержне, пропущенном через стенки большой катушки. Стержень связан с указательной стрелкой. Положение стрелки на полукольце с делениями показывает, как расположена маленькая катушка тех, которые можно встретить на радиоприемниках).

Поворачивая стерженек, мы теперь по положению указательной стрелки можем судить о том положении, которое занимает маленькая катушка внутри большой.

Наблюдения показывают, что

наибольшая ЭДС наводится тогда, когда ось маленькой катушки совпадает с направлением магнитного поля,

другими словами, когда оси большой и малой катушек раллельны.

Рис. 2.26. К выводу понятия «магнитный поток». Магнитное поле изображено линиями, проведенными из расчета две линии на 1 см2: а — катушка площадью 2 см2 расположена перпендикулярно направлению поля. С каждым витком катушки сцеплен магнитный поток Этот поток изображен четырьмя линиями, пересекающими катушку; б — катушка площадью 4 см2 расположена перпендикулярно направлению поля. С каждым витком катушки сцеплен магнитный поток Этот поток изображен восемью линиями, пересекающими катушку; в — катушка площадью 4 см2 расположена наклонно. Магнитный поток, сцепленный с каждым из ее витков, изображен четырьмя линиями. Он равен так как каждая линия изображает, как это видно из рис. 2.26, а и б, поток в . Поток, сцепленный с катушкой, уменьшается из-за ее наклона

Такое расположение маленькой катушки показано на рис. 2.26, а и б. По мере поворота катушки наводимая в ней ЭДС будет все меньше и меньше.

Наконец, если плоскость маленькой катушки станет параллельной линиям, поля, в ней не будет наводиться никакой ЭДС. Может возникнуть вопрос, что же будет при дальнейшем повороте маленькой катушки?

Если мы повернем катушку больше чем на 90° (относительно исходного положения), то изменится знак наводимой ЭДС. Линии поля будут входить в катушку с другой стороны.

Четвертое наблюдение. Важно провести еще одно, заключительное наблюдение.

Выберем определенное положение, в которое будем ставить маленькую катушку.

Условимся, например, ставить ее всегда в такое положение, чтобы наводимая ЭДС была возможно большой (конечно, при данном числе витков и данном значении отключаемого тока). Изготовим несколько маленьких катушек разного диаметра, но с одинаковым числом витков.

Будем ставить эти катушки в одно и то же положение и, выключая ток, будем наблюдать за отбросом гальванометра.

Опыт покажет нам, что

наводимая ЭДС пропорциональна площади поперечного сечения катушек.

Магнитный поток. Все наблюдения позволяют нам сделать вывод о том, что

наводимая ЭДС всегда пропорциональна изменению магнитного потока.

Но что такое магнитный поток?

Сначала будем говорить о магнитном потоке через плоскую площадку S, образующую прямой угол с направлением магнитного поля. В этом случае магнитный поток равен произведению площади на индукцию или

здесь S — площадь нашей площадки, м2;; В — индукция, Тл; Ф — магнитный поток, Вб.

Единицей потока служит вебер.

Изображая магнитное поле посредством линий, мы можем сказать, что магнитный поток пропорционален числу линий, пронизывающих площадку.

Если линии поля проведены так, что число их на перпендикулярно поставленной плоскости равняется индукции поля В, то поток равен числу таких линий.

На рис. 2.26 магнитное люле в изображено линиями, проведенными из расчета двух линий на Каждая линия, таким образом, соответствует магнитному потоку величиной

Теперь для того чтобы определить величину магнитного потока, достаточно просто сосчитать количество линий, пронизывающих площадку, и умножить это число на

В случае рис. 2.26, а магнитный поток через площадку в 2 см2, перпендикулярную направлению поля,

На рис. 2.26, а эта площадка пронизана четырьмя магнитными линиями. В случае рис. 2.26, б магнитный поток через поперечную площадку в 4 см2 при индукции 0,2 Тл

и мы видим, что площадка пронизана восемью магнитными линиями.

Магнитный поток, сцепленный с витком. Говоря о наведенной ЭДС, нам нужно иметь в виду поток, сцепленный с витком.

Поток, сцепленный с витком — это поток, пронизывающий поверхность, ограниченную витком.

На рис. 2.26 поток, сцепленный с каждым витком катушки, в случае рис. 2.26, а равен а в случае рис. 2.26, б поток равен

Если площадка не перпендикулярна, а наклонена к магнитным линиям, то уже нельзя определять поток просто произведением площади на индукцию. Поток в этом случае определяется как произведение индукции на площадь проекции нашей площадки. Речь идет о проекции на плоскость, перпендикулярную линиям поля, или как бы о тени, отбрасываемой площадкой (рис. 2.27).

Однако при любой форме площадки поток по-прежнему пропорционален числу линий, проходящих через нее, или равен числу единичных линий, пронизывающих площадку.

Рис. 2.27. К выводу проекции площадки. Проводя опыты более подробно и объединяя наши третье и четвертое наблюдения, можно было бы сделать такой вывод; наводимая ЭДС пропорциональна площади той тени, которую отбрасывает наша маленькая катушка на плоскость, перпендикулярную линиям поля, если бы она была освещена лучами света, параллельными линиями поля. Такая тень называется проекцией

Так, на рис. 2.26, в поток через площадку в 4 см2 при индукции 0,2 Тл равен всего (линии ценой по ). Изображение магнитного поля линиями очень помогает при определении потока.

Если с каждым из N витков катушки сцеплен поток Ф, можно назвать произведение ЫФ полным потокосцеплением катушки. Понятием потокосцепления можно особенно удобно пользоваться, когда с разными витками сцеплены разные потоки. В этом случае полным потокосцеплением называют сумму потоков, сцепленных с каждым из витков.

Несколько замечаний о слове «поток». Почему мы говорим о потоке? Связано ли с этим словом представление о каком-то течении чего-то магнитного? В самом деле, говоря «электрический ток», мы представляем себе движение (поток) электрических зарядов. Так же ли обстоит дело и в случае магнитного потока?

Нет, когда мы говорим «магнитный поток», мы имеем в виду только определенную меру магнитного поля (произведение силы поля на площадь), похожую на меру, которой пользуются инженеры и ученые, изучающие движение жидкостей. При движении воды они называют ее потоком произведения скорости воды на площадь поперечно расположенной площадки (поток воды в трубе равен ее скорости на площадь поперечного сечения трубы).

Конечно, само магнитное поле, представляющее собой один из видов материи, связано и с особой формой движения. У нас еще нет достаточно отчетливых представлений и знаний о характере этого движения, хотя о свойствах магнитного поля современным ученым известно многое: магнитное поле связано с существованием особой формы энергии, его основной мерой является индукция, другой очень важной мерой является магнитный поток.