Връзка на поток и магнитен поток

От опит е известно, че в близост до постоянни магнити, както и близо до проводници с ток, могат да се наблюдават физически ефекти, като например механично въздействие върху други магнити или проводници с ток, както и появата на ЕМП в проводници, движещи се в дадено пространство .

Необичайното състояние на пространството в близост до магнити и проводници с ток се нарича магнитно поле, чиито количествени характеристики лесно се определят от тези явления: от силата на механичното действие или от електромагнитната индукция, всъщност от величината, предизвикана в движещо се проводник ЕМП.

Явлението водене на ЕМП в проводника (явление на електромагнитна индукция) се проявява при различни условия. Можете да преместите проводник през еднородно магнитно поле или просто да промените магнитното поле близо до неподвижен проводник. И в двата случая промяната на магнитното поле в пространството ще предизвика ЕМП в проводника.

На фигурата е показано просто експериментално устройство за изследване на това явление. Тук проводящият (меден) пръстен е свързан със собствени проводници с балистичен галванометър, по отклонението на стрелката, за което ще бъде възможно да се прецени количеството електрически заряд, преминаващ през тази проста верига. Първо, поставете пръстена в центъра в някаква точка в пространството близо до магнита (позиция а), след което рязко преместете пръстена (в позиция б). Галванометърът ще покаже стойността на заряда, преминал през веригата, Q.

Сега поставяме пръстена в друга точка, малко по -далеч от магнита (до позиция с), и отново, със същата скорост, рязко го преместваме настрани (до позиция d). Отклонението на иглата на галванометъра ще бъде по -малко, отколкото в първия опит. И ако увеличим съпротивлението на контура R, например, замествайки медта с волфрам, след това премествайки пръстена по същия начин, ще забележим, че галванометърът ще покаже още по -малък заряд, но стойността на този заряд се движи през галванометъра във всеки случай ще бъде обратно пропорционална на съпротивлението на контура.

Експериментът ясно демонстрира, че пространството около магнита във всяка точка има някакво свойство, нещо, което пряко влияе върху количеството заряд, преминаващ през галванометъра, когато отдалечим пръстена от магнита. Нека го наречем нещо близо до магнит, магнитен поток, и обозначаваме неговата количествена стойност с буквата F. Отбележете разкритата зависимост на Ф ~ Q * R и Q ~ Ф / R.

Нека усложним експеримента. Ще фиксираме медния контур в определена точка срещу магнита, до него (в позиция d), но сега ще променим областта на контура (припокриване на част от него с проводник). Показанията на галванометъра ще бъдат пропорционални на промяната в областта на пръстена (в позиция e).

Следователно, магнитният поток Ф от нашия магнит, действащ върху контура, е пропорционален на площта на контура. Но магнитната индукция В, свързана с положението на пръстена спрямо магнита, но независима от параметрите на пръстена, определя свойството на магнитното поле във всяка разглеждана точка в пространството в близост до магнита.

Продължавайки експериментите с меден пръстен, сега ще променим положението на равнината на пръстена спрямо магнита в началния момент (позиция g) и след това ще го завъртим до позиция по оста на магнита (позиция h).

Имайте предвид, че колкото по -голяма е промяната в ъгъла между пръстена и магнита, толкова повече заряд Q преминава през веригата през галванометъра.Това означава, че магнитният поток през пръстена е пропорционален на косинуса на ъгъла между магнита и нормалата спрямо равнината на пръстена.

По този начин можем да заключим, че магнитна индукция B — има векторно количество, чиято посока в дадена точка съвпада с посоката на нормалата към равнината на пръстена в това положение, когато при рязко отдалечаване на пръстена от магнита заряд Q преминава по протежение на веригата е максимална.

Вместо магнит в експеримента можете да използвате намотка от електромагнит, преместете тази намотка или променете тока в нея, като по този начин увеличите или намалите магнитното поле, проникващо в експерименталния контур.

Площта, проникнала от магнитното поле, не може непременно да бъде ограничена от кръгъл завой, тя по принцип може да бъде всякаква повърхност, магнитният поток през която след това се определя чрез интегриране:

Оказва се, че магнитен поток Ф Дали потокът на вектора на магнитната индукция В през повърхността S. А магнитната индукция В е плътността на магнитния поток Ф в дадена точка на полето. Магнитният поток Ф се измерва в единици на «Weber» — Wb. Магнитната индукция В се измерва в единици на Тесла — Тесла.

Ако цялото пространство около постоянен магнит или бобина с ток се изследва по подобен начин, с помощта на бобина с галванометър, тогава е възможно да се изгради в това пространство безкраен брой от така наречените «магнитни линии» — векторни линии магнитна индукция B — посоката на тангентите във всяка точка на която ще съответства на посоката на вектора на магнитната индукция B в тези точки на изследваното пространство.

Чрез разделяне на пространството на магнитното поле от въображаеми тръби с единично напречно сечение S = 1, могат да се получат т. Нар. Единични магнитни тръби, чиито оси се наричат ​​единични магнитни линии. Използвайки този подход, можете визуално да изобразите количествена картина на магнитното поле и в този случай магнитният поток ще бъде равен на броя линии, преминаващи през избраната повърхност.

Магнитните линии са непрекъснати, те напускат Северния полюс и задължително влизат в Южния полюс, така че общият магнитен поток през всяка затворена повърхност е нула. Математически изглежда така:

Помислете за магнитно поле, ограничено от повърхността на цилиндрична намотка. Всъщност това е магнитен поток, който прониква в повърхността, образувана от завоите на тази намотка. В този случай общата повърхност може да бъде разделена на отделни повърхности за всеки от завоите на бобината. Фигурата показва, че повърхностите на горните и долните завои на бобината са пробити от четири единични магнитни линии, а повърхностите на завоите в средата на бобината са пробити с осем.

За да се намери стойността на общия магнитен поток през всички завои на бобината, е необходимо да се сумират магнитните потоци, проникващи в повърхностите на всеки от нейните завои, тоест магнитните потоци, свързани с отделните завои на бобината:

Ф = Ф1 + Ф2 + Ф3 + Ф4 + Ф5 + Ф6 + Ф7 + Ф8, ако в бобината има 8 завъртания.

За пример за симетрична намотка, показан на предишната фигура:

F горни завои = 4 + 4 + 6 + 8 = 22;

F долните завои = 4 + 4 + 6 + 8 = 22.

Ф общо = Ф горни завои + Ф долни завои = 44.

Тук се въвежда понятието „поточна връзка“. Поточна връзка Общият магнитен поток, свързан с всички завои на бобината, числено равен на сумата от магнитните потоци, свързани с отделните му завои:

Фm е магнитният поток, създаден от тока през един оборот на бобината; wэ — ефективен брой завои в бобината;

Потоковата връзка е виртуална стойност, тъй като в действителност няма сума от отделни магнитни потоци, но има общ магнитен поток. Въпреки това, когато реалното разпределение на магнитния поток върху завоите на бобината е неизвестно, но връзката на потока е известна, тогава намотката може да бъде заменена с еквивалентна чрез изчисляване на броя на еквивалентни идентични завои, необходими за получаване на необходимата сума магнитен поток.