21. Означення та загальні властивості магнітного потоку. …

Магнітний потік Ф через поверхню з площею S – це скалярна фізична величина, що дорівнює добутку модуля вектора магнітної індукції на площу поверхні S та косинус кута між вектором і вектором нормалі до поверхні.

Ф=BS cosa.

Магнітний потік наочно можна подати як величину, пропорційну кількості ліній магнітної індукції, що пронизують поверхню площею S.

Одиниця магнітного потоку - вебер.

М .Фарадей виконував досліди з постійним магнітом і котушкою, до якої приєднаний гальванометр. Якщо постійний магніт вводити всередину котушки одним із полюсів, то гальванометр фіксує струм в колі, причому фарадей помітив що стрілка завжди відхилялась в один бік. Як що магніт виймати з котушки, то струм знову фіксується, але напрям відхилення стрілки буде в інший бік. Струм також фіксували, якщо рухали котушку відносно магніта. Тому неважко зробити висновок, що струм в колі виникає при зміні магнітного потоку, що пронизує котушку.

Явище виникнення електрорушійної сили (ЕРС) в провідному контурі (струму, якщо контур замкнутий), при зміні магнітного потоку, який пронизує контур, називають явищем електромагнітної індукції.

Закон електромагнітної індукції сформульовано саме для ЕРС, оскільки за такого формулювання він виражає суть явища, незалежного від властивостей провідників, у яких виникає індукційний струм:

ЕРС індукції в замкненому контурі дорівнює за модулем швидкості зміни магнітного потоку через поверхню обмежену контуром:

Якщо в з'єднаних послідовно контурах відбуваються однакові зміни магнітного потоку, то ЕРС індукції в них дорівнює сумі ЕРС індукції в кожному із контурів. Тому, якщо змінюється магнітний потік у котушці, що складається із N однакових витків провідника, загальна ЕРС індукції буде в N разів більшою від ЕРС індукції в окремому контурі:

Російський вчений Ленц застосував до явища електромагнітної індукції закон збереження і перетворення енергії і сформулював правило, користуючись яким можна визначити напрям індукційного струму:

індукційний струм, що виникає в замкненому контурі, протидіє зміні магнітного потоку, який збуджує цей струм.

Явище електромагнітної індукції використовують у механічних джерелах електричної енергії – генераторах електричної енергії (пристроях, в яких механічна енегрія перетворюється на електричну).

22. Механізм виникнення коливань в контурі. …

Періодичні чи майже періодичні зміни заряду, сили струму і напруги називають електромагнітними коливаннями. Як і механічні коливання, електромагнітні коливання можуть бути вільними і вимушеними.

Вільні електромагнітні коливання виникають під час розряджання конденсатора через котушку індуктивності.

Н айпростіша система, в якій можуть виникнути вільні електромагнітні коливання, складається із послідовно з'єднаних конденсатора ємністю С і котушки індуктивності L, приєднаної до його обкладок. Таку систему називають коливальним контуром

Для того, щоб почалися коливання в контурі зарядимо конденсатор від зовнішнього джерела струму. При цьому конденсатор отримає енергію.

В момент часу t=0 c конденсатор заряджений, тому q=q_max, U=U_max, тому рівняння коливань заряду та напруги на конденсаторі: q=q_maxcosωt, U=U_maxcosωt.

Після підключення до конденсатора котушки індуктивності, отримаємо замкнене коло. Конденсатор почне розряджатися і в колі з'явиться електричний струм. Струм у колі не одразу досягне максимального значення, а збільшуватиметься поступово. Це зумовлено явищем самоіндукції. З появою струму виникає змінне магнітне поле. Це змінне магнітне поле породжує вихрове електричне поле в провіднику, яке внаслідок наростання магнітного поля діє проти струму і протидіє його миттєвому збільшенню (правило Ленца).

У міру розряджання конденсатора енергія електричного поля буде зменшуватись, але водночас буде зростати енергія магнітного поля струму, яку визначають за формулою:

У момент часу t=Т/4 (Т – період коливань), коли конденсатор повністю розрядився (q=0), енергія електричного поля набуває нульового значення. Енергія магнітного поля струму згідно із законом збереження енергії буде максимальною. У цей момент струм досягає максимального значення I_m.

Відповідно рівняння коливання струму в контурі І=І_maxcos(ωt+φ) або І=І_maxcos(ωt+π/2) .

Однак на цьому процес коливань у контурі зупинитися не може, бо з цього часу за рахунок самоіндукції підтримується струм у колі, що зумовлює перезарядження конденсатора. На цьому етапі енергія магнітного поля котушки знову перетворюється в енергію електричного поля конденсатора.

Коли б не було втрат енергії (наприклад, на подолання опору провідників, за якого енергія струму перетворюється в енергію провідників), то цей процес відбувався б нескінченно. Коливання стали б незагасальними. Через інтервали часу, що дорівнюють періоду коливань, стани системи повторювались би і значення енергії (магнітного і електричного полів) було б максимальним:

А в будь-який інший час

Формула, за якою знаходять період електромагнітних коливань:

Її називається формулою Томсона.