Как найти скорость перемещения проводника

Вы, наверное, сразу же скажете, что скорость электрического тока равна скорости света и будете неправы. В этом материале я на простом примере объясню, каким образом и с какой скоростью перемещается электрический ток по проводам.

Давайте для примера смоделируем следующую ситуацию:

Пусть у нас будет лампочка соединенная с постоянным источником питания двужильным экранированным кабелем, причем длина этого кабеля будет 10 километров.

Теперь если мы включим выключатель в этой цепи, то лампочка загорится через 10 км/300 000 км/с, где 10 км – это длина нашего проводника, а 300 000 км/с – это скорость распространения электромагнитной волны (света) в вакууме.

То есть, произведя расчет, получается, лампочка загорится через 0,00003333 сек или 33,333 мксек (в расчет не принята емкость проводника). Из этого следует вывод, что «движение электронов» распространится по проводнику со скоростью света.

Но то обстоятельство, что электроны начинают перемещаться друг за другом со скоростью света совсем не говорит о том, что они перемещаются в проводнике с этой же скоростью.

Здесь скорость света эта та скорость, с которой заряженные частицы начинают двигаться друг за другом, а перемещаться по проводнику они могут со скоростью всего лишь несколько миллиметров в единицу времени.

Непонятно? Сейчас объясню почему так.

Итак, мы замкнули цепь, нажав выключатель. В этот момент электроны начинают покидать минусовую клемму нашего с вами конденсатора, при этом происходит уменьшение электрического поля в диэлектрике конденсатора и электроны (с подключенного проводника) начинают заходить на плюсовую клемму конденсатора.

Таким образом, разность потенциалов между обкладками конденсатора уменьшается. А по причине того, что электроны в присоединённом участке проводника пришли в движение, то их пустующее место занимают электроны из соседнего участка провода (под действием электромагнитного поля замкнутой цепи).

Этот процесс перемещения распространяется все дальше по проводнику и по истечению определенного времени достигает нашей с вами лампочки и протекающий ток заставляет ее светиться.

Получается, что изменение электрического поля по проводнику распространяется мгновенно, а вот сами заряженные частицы имеют гораздо более низкую скорость.

Аналогия с водопроводом

Давайте для простоты понимания проведем аналогию с водопроводом.

Представьте такую картину: вы запустили водяной насос, также находящийся далеко за городом и буквально через доли секунды (изменение давления распространяется со средней скоростью 1400 км/с) у вас из трубы начала поступать вода. Но эта не та же самая вода, которая только что прошла через насос, «толкотня» молекул воды распространилась с огромной скоростью, а сами молекулы движутся с гораздо меньшей скоростью.

Так и с движением электрического тока.

А как у переменного тока

Ну вроде бы с постоянным током все более-менее стало ясно и может так же возникнуть второй логичный вопрос: А как дела обстоят с переменным током?

На самом деле разница здесь заключена лишь в том, что переменный ток меняет направление своего движения с частотой 50 Герц в единицу времени. Но при этом его скорость зависит все от тех же факторов, что и в случае с постоянным током.

Заключение и выводы

Так, давайте вновь вернемся к току. Получается, если на проводник не воздействует электромагнитное поле, то движение электронов внутри провода происходит абсолютно в хаотичном порядке.

Как только к проводнику оказывается воздействие электрического поля, то в зависимости от таких факторов как температура проводника, материала, разности потенциалов, скорость электрического тока может варьироваться от 0,6 до 6 миллиметров в одну единицу времени. Как видите, эта величина очень далека от скорости света. И вычисляется она по следующей формуле:

Где n – концентрация свободных носителей, S – площадь сечения проводника, e – заряд частицы, I – сила тока.

Это все, что я хотел вам рассказать о скорости перемещения электрического тока по проводам. Если статья оказалась вам полезна, то оцените ее лайком. Спасибо за ваше внимание!

 1. Вступление

Для того чтобы уста­но­вить при­ро­ду силы в про­вод­ни­ке, ко­то­рый дви­жет­ся в маг­нит­ном поле, про­ве­дём экс­пе­ри­мент. Пред­по­ло­жим, что в вер­ти­каль­ном од­но­род­ном маг­нит­ном поле с ин­дук­ци­ей () рас­по­ло­жен го­ри­зон­таль­ный про­вод­ник дли­ной (l), ко­то­рый дви­жет­ся с по­сто­ян­ной ско­ро­стью () пер­пен­ди­ку­ляр­но век­то­ру маг­нит­ной ин­дук­ции маг­нит­но­го поля. Если под­со­еди­нить к кон­цам этого про­вод­ни­ка чув­стви­тель­ный вольт­метр, то уви­дим, что он по­ка­жет на­ли­чие раз­но­сти по­тен­ци­а­лов на кон­цах этого про­вод­ни­ка. Вы­яс­ним, от­ку­да бе­рёт­ся это на­пря­же­ние. В дан­ном слу­чае нет кон­ту­ра и нет из­ме­ня­ю­ще­го­ся маг­нит­но­го поля, по­это­му мы не может ска­зать, что дви­же­ние элек­тро­нов в про­вод­ни­ке воз­ник­ло в ре­зуль­та­те по­яв­ле­ния вих­ре­во­го элек­три­че­ско­го поля. Когда про­вод­ник дви­жет­ся, как еди­ное целое (рис. 1), у за­ря­дов про­вод­ни­ка и у по­ло­жи­тель­ных ионов, ко­то­рые на­хо­дят­ся в узлах кри­стал­ли­че­ской ре­шёт­ки, и у сво­бод­ных элек­тро­нов воз­ни­ка­ет ско­рость на­прав­лен­но­го дви­же­ния.

Рис. 1

На эти за­ря­ды будет дей­ство­вать сила Ло­рен­ца со сто­ро­ны маг­нит­но­го поля. Со­глас­но пра­ви­лу «левой руки»: че­ты­ре паль­ца, рас­по­ло­жен­ные по на­прав­ле­нию дви­же­ния, ла­донь раз­во­ра­чи­ва­ем так, чтобы век­тор маг­нит­ной ин­дук­ции вхо­дил в тыль­ную сто­ро­ну, тогда боль­шой палец ука­жет дей­ствие силы Ло­рен­ца на по­ло­жи­тель­ные за­ря­ды. 

Сила Ло­рен­ца, дей­ству­ю­щая на за­ря­ды, равна про­из­ве­де­нию мо­ду­ля за­ря­да, ко­то­рый она пе­ре­но­сит, умно­жен­ной на мо­дуль маг­нит­ной ин­дук­ции, на ско­рость и синус угла между век­то­ром маг­нит­ной ин­дук­ции и век­то­ром ско­ро­сти.

(1)

Эта сила будет со­вер­шать ра­бо­ту по пе­ре­но­су элек­тро­нов на малые рас­сто­я­ния вдоль про­вод­ни­ка.   

(2)

Тогда пол­ная ра­бо­та силы Ло­рен­ца вдоль про­вод­ни­ка будет опре­де­лять­ся силой Ло­рен­ца, умно­жен­ной на длину про­вод­ни­ка.

(3)

 2. Природа ЭДС, возникающая при движении проводника в магнитном поле

От­но­ше­ние ра­бо­ты сто­рон­ней силы по пе­ре­ме­ще­нию за­ря­да к ве­ли­чине пе­ре­не­сён­но­го за­ря­да по опре­де­ле­нию ЭДС. 

(4)

Итак, при­ро­да воз­ник­но­ве­ния ЭДС ин­дук­ции – это ра­бо­та силы Ло­рен­ца. Од­на­ко, фор­му­лу 10.4. можно по­лу­чить фор­маль­но, ис­хо­дя из опре­де­ле­ния ЭДС элек­тро­маг­нит­ной ин­дук­ции, когда про­вод­ник пе­ре­ме­ща­ет­ся в маг­нит­ном поле, пе­ре­се­кая линии маг­нит­ной ин­дук­ции, пе­ре­кры­вая неко­то­рую пло­щад­ку, ко­то­рую можно опре­де­лить как про­из­ве­де­ние длины про­вод­ни­ка на пе­ре­ме­ще­ние, ко­то­рое можно вы­ра­зить через ско­рость и время дви­же­ния. ЭДС ин­дук­ции по мо­ду­лю равно от­но­ше­нию из­ме­не­ния маг­нит­но­го по­то­ка ко вре­ме­ни.

(5)

Мо­дуль маг­нит­ной ин­дук­ции по­сто­ян­ный, но из­ме­ня­ет­ся пло­щадь, ко­то­рая по­кры­ва­ет про­вод­ник.  

(6)

После под­ста­нов­ки, вы­ра­же­ния в фор­му­лу 10.5. и со­кра­ще­ния по­лу­чим:

(7)

(10.8.)

 3. Сила Лоренца

Сила Ло­рен­ца, дей­ству­ю­щая вдоль про­вод­ни­ка, за счёт чего про­ис­хо­дит пе­ре­рас­пре­де­ле­ние за­ря­дов – это лишь одна со­став­ля­ю­щая сил. Также име­ет­ся вто­рая со­став­ля­ю­щая, ко­то­рая воз­ни­ка­ет имен­но в ре­зуль­та­те дви­же­ния за­ря­дов. Если элек­тро­ны на­чи­на­ют пе­ре­ме­щать­ся по про­вод­ни­ку, а про­вод­ник на­хо­дит­ся в маг­нит­ном поле, то тогда на­чи­на­ет дей­ство­вать сила Ло­рен­ца, и на­прав­ле­на она будет про­тив дви­же­ния ско­ро­сти про­вод­ни­ка. Таким об­ра­зом, сум­ми­ру­ю­щая сила Ло­рен­ца будет равна нулю.

 4. Электродвижущая сила индукции

По­лу­чен­ное вы­ра­же­ние для ЭДС ин­дук­ции, воз­ни­ка­ю­щей при дви­же­нии про­вод­ни­ка в маг­нит­ном поле, можно по­лу­чить и фор­маль­но, ис­хо­дя из опре­де­ле­ния. ЭДС ин­дук­ции равно ско­ро­сти из­ме­не­ния маг­нит­но­го по­то­ка за еди­ни­цу вре­ме­ни, взя­то­го со зна­ком минус. 

 

Электрический ток. Сила тока

Подробности

Обновлено 13.08.2018 19:44

Просмотров: 878

«Физика – 10 класс»

Электрический ток — направленное движение заряженных частиц. Благодаря электрическому току освещаются квартиры, приводятся в движение станки, нагреваются конфорки на электроплитах, работает радиоприемник и т. д.

Рассмотрим наиболее простой случай направленного движения заряженных частиц — постоянный ток.

Какой электрический заряд называется элементарным?

Чему равен элементарный электрический заряд?

Чем различаются заряды в проводнике и диэлектрике?

При движении заряженных частиц в проводнике происходит перенос электрического заряда из одной точки в другую. Однако если заряженные частицы совершают беспорядочное тепловое движение, как, например, свободные электроны в металле, то переноса заряда не происходит (рис. 15.1, а). Поперечное сечение проводника в среднем пересекает одинаковое число электронов в двух противоположных направлениях. Электрический заряд переносится через поперечное сечение проводника лишь в том случае, если наряду с беспорядочным движением электроны участвуют в направленном движении (рис. 15.1, б). В этом случае говорят, что по проводнику идёт электрический ток.

Электрическим током называют упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц.

Электрический ток имеет определённое направление.

За направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц.

Если перемещать нейтральное в целом тело, то, несмотря на упорядоченное движение огромного числа электронов и атомных ядер, электрический ток не возникнет. Полный заряд, переносимый через любое сечение, будет при этом равным нулю, так как заряды разных знаков перемещаются с одинаковой средней скоростью.

Направление тока совпадает с направлением вектора напряжённости электрического поля. Если ток образован движением отрицательно заряженных частиц, то направление тока считают противоположным направлению движения частиц.

Выбор направления тока не очень удачен, так как в большинстве случаев ток представляет собой упорядоченное движение электронов — отрицательно заряженных частиц. Выбор направления тока был сделан в то время, когда о свободных электронах в металлах ещё ничего не знали.

Действие тока.

Движение частиц в проводнике мы непосредственно не видим. О наличии электрического тока приходится судить по тем действиям или явлениям, которые его сопровождают.

Во-первых, проводник, по которому идёт ток, нагревается.

Во-вторых, электрический ток может изменять химический состав проводника: например, выделять его химические составные части (медь из раствора медного купороса и т. д.).

В-третьих, ток оказывает силовое воздействие на соседние токи и намагниченные тела. Это действие тока называется магнитным.

Так, магнитная стрелка вблизи проводника с током поворачивается. Магнитное действие тока в отличие от химического и теплового является основным, так как проявляется у всех без исключения проводников. Химическое действие тока наблюдается лишь у растворов и расплавов электролитов, а нагревание отсутствует у сверхпроводников.

В лампочке накаливания вследствие прохождения электрического тока излучается видимый свет, а электродвигатель совершает механическую работу.

Сила тока.

Если в цепи идёт электрический ток, то это означает, что через поперечное сечение проводника всё время переносится электрический заряд.

Заряд, перенесённый в единицу времени, служит основной количественной характеристикой тока, называемой силой тока.

Если через поперечное сечение проводника за время Δt переносится заряд Δq, то среднее значение силы тока равно:

Средняя сила тока равна отношению заряда Δq, прошедшего через поперечное сечение проводника за промежуток времени Δt, к этому промежутку времени.

Если сила тока со временем не меняется, то ток называют постоянным.

Сила переменного тока в данный момент времени определяется также по формуле (15.1), но промежуток времени Δt в таком случае должен быть очень мал.

Сила тока, подобно заряду, — величина скалярная. Она может быть как положительной, так и отрицательной. Знак силы тока зависит от того, какое из направлений обхода контура принять за положительное. Сила тока I > 0, если направление тока совпадает с условно выбранным положительным направлением вдоль проводника. В противном случае I < 0.

Термин сила тока нельзя считать удачным, так как понятие сила, применяемое к току, не имеет никакого отношения к понятию сила в механике. Но термин сила тока был введён давно и утвердился в науке.

Связь силы тока со скоростью направленного движения частиц.

Пусть цилиндрический проводник (рис. 15.2) имеет поперечное сечение площадью S.

За положительное направление тока в проводнике примем направление слева направо. Заряд каждой частицы будем считать равным q₀. В объёме проводника, ограниченном поперечными сечениями 1 и 2 с расстоянием Δl между ними, содержится nSΔl частиц, где n — концентрация частиц (носителей тока). Их общий заряд в выбранном объёме q = q₀nSΔl. Если частицы движутся слева направо со средней скоростью υ, то за время все частицы, заключенные в рассматриваемом объёме, пройдут через поперечное сечение 2. Поэтому сила тока равна:

В СИ единицей силы тока является ампер (А).

Эта единица установлена на основе магнитного взаимодействия токов.

Измеряют силу тока амперметрами. Принцип устройства этих приборов основан на магнитном действии тока.

Скорость упорядоченного движения электронов в проводнике.

Найдём скорость упорядоченного перемещения электронов в металлическом проводнике. Согласно формуле (15.2) где е — модуль заряда электрона.

Пусть, например, сила тока I = 1 А, а площадь поперечного сечения проводника S = 10^-6 м². Модуль заряда электрона е = 1,6 • 10^-19 Кл. Число электронов в 1 м³ меди равно числу атомов в этом объёме, так как один из валентных электронов каждого атома меди является свободным. Это число есть n ≈ 8,5 • 10²⁸ м^-3 (это число можно определить, если решить задачу 6 из § 54). Следовательно,

Как видите, скорость упорядоченного перемещения электронов очень мала. Она во много раз меньше скорости теплового движения электронов в металле.

Условия, необходимые для существования электрического тока.

Для возникновения и существования постоянного электрического тока в веществе необходимо наличие свободных заряженных частиц.

Однако этого ещё недостаточно для возникновения тока.

Для создания и поддержания упорядоченного движения заряженных частиц необходима сила, действующая на них в определённом направлении.

Если эта сила перестанет действовать, то упорядоченное движение заряженных частиц прекратится из-за столкновений с ионами кристаллической решётки металлов или нейтральными молекулами электролитов и электроны будут двигаться беспорядочно.

На заряженные частицы, как мы знаем, действует электрическое поле с силой:

Обычно именно электрическое поле внутри проводника служит причиной, вызывающей и поддерживающей упорядоченное движение заряженных частиц.
Только в статическом случае, когда заряды покоятся, электрическое поле внутри проводника равно нулю.

Если внутри проводника имеется электрическое поле, то между концами проводника в соответствии с формулой (14.21) существует разность потенциалов. Как показал эксперимент, когда разность потенциалов не меняется во времени, в проводнике устанавливается постоянный электрический ток. Вдоль проводника потенциал уменьшается от максимального значения на одном конце проводника до минимального на другом, так как положительный заряд под действием сил поля перемещается в сторону убывания потенциала.

Источник: «Физика – 10 класс», 2014, учебник Мякишев, Буховцев, Сотский

Законы постоянного тока – Физика, учебник для 10 класса – Класс!ная физика

Электрический ток. Сила тока —
Закон Ома для участка цепи. Сопротивление —
Электрические цепи. Последовательное и параллельное соединения проводников —
Примеры решения задач по теме «Закон Ома. Последовательное и параллельное соединения проводников» —
Работа и мощность постоянного тока —
Электродвижущая сила —
Закон Ома для полной цепи —
Примеры решения задач по теме «Работа и мощность постоянного тока. Закон Ома для полной цепи»

Магнитный поток, проходящий через площадь S равен:

Ф = BScosα;

где:

Ф ― величина магнитного потока [Вб],

S ― площадь контура [м2],

B ― индукция магнитного поля [Тл],

α ― угол между нормалью к площади контура и вектором индукции магнитного поля .

Если вектор индукции магнитного поля перпендикулярен площади контура, то магнитный поток равен:

Ф = BScos90° = BS;

Максимальное значение потока будет тогда, когда косинус будет максимальным (cosα = 1), то есть угол между вектором и вектором нормали к пластинке равен 0°, чему соответствует картинка 3. Наименьшее же значение потока будет тогда, когда косинус будет равен нулю (cosα = 0), то есть угол между нормалью к пластинке и вектором индукции равен 90°, чему соответствует картинка 4.

Электромагнитная индукция ― явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через контур. Если контур разомкнут, то на его концах наблюдается разносность потенциалов, равная ЭДС индукции.

ЭДС электромагнитной индукции возникает только тогда, когда изменяется магнитный поток.

Закон Фарадея об электромагнитной индукции и гласит, что индуцируемая ЭДС прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока:

где:

― ЭДС электромагнитной индукции [B],

― скорость изменения магнитного потока [Вб/с],

∆Ф ― изменение магнитного потока [Вб],

∆t ― время, за которое происходит это изменение [c].

Кроме того, ЭДС индукции равна производной магнитного потока по времени:

где:

• ― ЭДС электромагнитной индукции [B],
• ― производная магнитного потока по времени [Вб/с].

Задача 1

Замкнутый контур площадью S из тонкой проволоки помещён в магнитное поле. Плоскость контура перпендикулярна вектору магнитной индукции поля. В контуре возникают колебания тока с амплитудой iм = 35 мА, если магнитная индукция поля меняется с течением времени в соответствии с формулой B = acos (bt), где a = 6 · 10-3Тл, b = 3500 c-1. Электрическое сопротивление контура R = 1,2 Ом. Чему равна площадь контура?

Решение:

Обратите внимание на величины, данные в условии. Они здесь совсем не такие, к которым вы привыкли, потому что не дано значение магнитного поля, а дана зависимость магнитного поля от времени. Посмотрим, как это скажется на решении задачи.

Поскольку магнитное поле, а вместе с ним и поток меняются, то будет возникать ЭДС индукции, именно это ЭДС и вызовет электрический ток, поэтому запишем закон электромагнитной индукции.

По закону электромагнитной индукции

ЭДС — это изменение магнитного потока за время. Ничего в определении ЭДС не сказано про это самое время. Дело в том, что изменение какой-то величины за небольшой промежуток времени называется производной по времени. То есть наше ЭДС, которое является изменением магнитного потока за небольшой промежуток времени, это просто производная магнитного потока по времени

И это очень важный момент, без которого мы не сможем решить такого рода задачу.

Теперь посчитаем ЭДС индукции.

Напишем, чему равен магнитный поток Ф = BS = acos (bt) · S.

ЭДС индукции — это производная магнитного потока по времени. Теперь придётся вспомнить немного математики. Множители “a” и “S” перед косинусом не зависят от времени, поэтому производная их не трогает, а вот у косинуса в скобочках стоит зависимость от времени, поэтому именно от косинуса производную и нужно взять.

Обратите внимание на полученную формулу магнитного потока. В ней стоит просто множитель aS перед сложной функцией косинуса

.

Взяв производную от этой функции, получаем Ф´ = –abS · sin (bt). А теперь, раз мы знаем производную магнитного потока, значит, знаем и ЭДС индукции, потому что

Подставив сюда значение производной, получим = abS · sin (bt).

Мы получили значение ЭДС. Кроме этого, мы знаем сопротивление и максимальную силу тока, поэтому запишем закон Ома.

По закону Ома , подставив сюда значение ЭДС, получаем .

Мы получили зависимость силы тока от времени.

Из-за синуса, который стоит в этой формуле, ток постоянно меняет своё значение, то он становится больше, то меньше, поскольку синус меняет своё значение от -1 до 1.

В условии дано максимальное значение силы тока, которое протекает по контуру. Когда эта величина будет максимальной? В тот момент, когда синус будет максимальным, то есть равный единице. Поэтому запишем sin (bt) = 1.

Максимальное значение тока будет в тот момент, когда будет максимальным значение ЭДС индукции, то есть когда, .

Отсюда можно легко выразить площадь контура , подставив сюда все значения, получим

Ответ: 0,002

Как видно из формулы магнитного потока Ф = BScosα, изменение магнитного потока может быть вызвано разными факторами:

Таким образом, изменение модуля или направление вектора магнитной индукции или площади контура неизбежно приводят к тому, что в контуре возникает электродвижущая сила.

Если нарисовать график зависимости магнитного потока, то он может выглядеть либо так: тогда поток не будет менятьсяи ЭДС не возникает.

Либо так, тогда будет меняться поток и возникать ЭДС:

Знак «минус» перед скоростью изменения магнитного потока в формуле отражает правило Ленца: индуцированный ток всегда направлен так, чтобы магнитное поле, которое он создает, препятствовало изменению магнитного потока.

Если магнитный поток, проходящий через площадь контура, уменьшается, то магнитное поле индуцированных токов будет стремиться его увеличить.

Если поток увеличивается ― магнитное поле индуцированных токов будет стремиться его уменьшить.

Задача 2

Два проводящих кольца расположены относительно проводника с током в одной плоскости, как это показано на рисунке. В каком направлении будет индуцироваться ток в этих кольцах, если начать двигать их в направлении проводника?

Решение:

Первым делом необходимо понять, как вообще может возникать индуцированный ток, если даже магнитного поля нет?

Его направление мы можем определить по правилу правого винта. Отметим это на рисунке.

Теперь эти два проводника начинают двигать. Разве от этого меняется поток? Ведь площадь остаётся та же самая, угол между нормалью и вектором тоже не меняется. Однако, чем ближе к проводнику с током, тем сильней поле, а чем дальше от него, тем слабее! Поэтому, когда мы двигаем кольца к проводнику, мы увеличиваем поток, ведь ближе поле сильнее. Значит, будет появляться ток, а его направление можно определить по правилу Ленца. Что нам говорит правило Ленца?

Раз поток увеличивается, то по правилу Ленца ток будет индуцироваться так, чтобы уменьшить поток, то есть магнитное поле в левом кольце будет направлено от нас, а в правом ─ на нас. А значит, по правилу правого винта мы можем определить, что ток будет течь по часовой стрелке слева и против часовой стрелки справа.

Движение проводников

Если к концам проводника, движущегося в магнитном поле, подключить вольтметр, то прибор покажет наличие разности потенциалов на концах проводника. Таким образом, когда проводник перемещается в области с магнитным полем, в нем возникает электромагнитная движущая сила (ЭДС).

Согласно закону Лоренца, в проводнике, движущемся в магнитном поле, создается ЭДС ;

где:

― ЭДС электромагнитной индукции [B],

B ― индукция магнитного поля [Тл],

l ― длина проводника [м],

v ― скорость движения проводника [м/с],

α ― угол между направлением вектора скорости и длиной проводника , если вектор индукции магнитного поля перпендикулярен проводнику и вектору скорости его движения:

Используя силу Лоренца, можно получить это определение ЭДС. Сила Лоренца ― это проявленное действие магнитного поля на заряженную частицу.

В проводнике присутствует большое количество свободных зарядов (именно это отличает проводники от диэлектриков), и на каждый из зарядов действует сила Лоренца, перемещая их по проводнику так, что в одной его части скапливается отрицательный заряд, а в другой, соответственно, положительный. Это распределение зарядов и является физической основой для возникновения электродвижущей силы.

На рисунке показано как сила Лоренца, действующая на каждый из зарядов проводника, создает ЭДС в проводнике. Если одиночный отрицательный заряд попадает в магнитное поле, направленное от нас, то, согласно правилу левой руки, направление его движения изменяется так, как показано на рисунке. Если в область с таким же магнитным полем входит проводник, суммарный заряд которого равен нулю, но внутри которого находятся электроны, способные свободно перемещаться в проводнике, то электроны стекаются в один конец проводника. Так как электроны переместились в один конец проводника, то этот конец приобретает отрицательный заряд, а противоположный ему ― положительный. Таким образом, в проводнике возникает разность потенциалов и электродвижущая сила.

В некоторых случаях удобно решать задачи, используя определение ЭДС через закон Лоренца (обычно это задачи о движении прямолинейного проводника в поле), в других ― через закон Фарадея.

В проводнике, движущемся в магнитном поле, образуется разность потенциалов U = lvBsinα;

где:

U — разность потенциалов [В],

l — длина проводника [м],

v — скорость движения проводника

B — индукция магнитного поля [Тл],

α — угол между направлением скорости и длиной проводника.

В случае, если есть какой-то замкнутый контур, то ЭДС в нём возникает только тогда, когда меняется магнитный потокчерез этот контур. В случае же тонкого стержня, для которого нельзя применить понятия магнитного потока, потому что у него просто нет площади, ЭДС возникает при движении в постоянном магнитном поле.

В случае, если в задаче дана проводящая рамка или контур, для определения ЭДС (напряжения) используем формулу

В случае, если в задачи дан проводник, движущейся в поле, для определения ЭДС (напряжения) используем формулу =U= lvBsinα.

Задача 3

В заштрихованной области на рисунке действует однородное магнитное поле, перпендикулярное плоскости рисунка с индукцией В = 0,1 Тл. Квадратную проволочную рамку, сопротивление которой 10 Ом и длина стороны 10 см, перемещают в этом поле в плоскости рисунка поступательно равномерно с некоторой скоростью υ. При попадании рамки в магнитное поле в положении 1 в ней возникает индукционный ток, равный 1 мА. Какова скорость движения рамки?

Решение:

Составим цепочку.

Зная силу тока и сопротивление, что можно найти? Мы сможем найти напряжение, то есть ЭДС, а ЭДС, уже можно легко связать со скоростью движения рамки.

Составим цепочку. Мы знаем магнитное поле (В), длину стороны (a), сопротивление (R) и силу тока (I), а найти нужно скорость(v).

Зная ток и сопротивление, что сразу можно найти? Напряжение, то есть ЭДС, которое мы сможем найти по закону Ома.

А связать ЭДС с индукцией поля, стороной рамки и скоростью движения очень легко, воспользовавшись той формулой, которую мы получили в прошлой задаче.

Пройдёмся вдоль этой цепочки.

Запишем закон Ома , подставив сюда формулу для ЭДС, которую мы получили в прошлой задаче, отбросив знак «минус» получим отсюда выразим скорость, и, подставив все величины, получим

Ответ: 1

1