W li 2 2 что за формула

§ 130. Энергия магнитного поля

Проводник, по которому протекает элек­трический ток, всегда окружен магнитным полем, причем магнитное поле появляется и исчезает вместе с появлением и исчезно­вением тока. Магнитное поле, подобно электрическому, является носителем энер­гии. Естественно предположить, что энер­гия магнитного поля равна работе, которая затрачивается током на создание этого поля.

Рассмотрим контур индуктивностью L, по которому течет ток I. С данным контуром сцеплен магнитный поток (см. (126.1)) Ф=LI, причем при измене­нии тока на dI магнитный поток изменяет­ся на dФ=LdI. Однако для изменения магнитного потока на величину dФ (см. § 121) необходимо совершить работу dA=IdФ=LIdI. Тогда работа по созда­нию магнитного потока Ф будет равна

Следовательно, энергия магнитного поля, связанного с контуром,

W=LI 2 /2. (130.1)

Исследование свойств переменных маг­нитных полей, в частности распростране­ния электромагнитных волн, явилось до­казательством того, что энергия магнитно­го поля локализована в пространст­ве. Это соответствует представлениям те­ории поля.

Энергию магнитного поля можно пред-

ставить как функцию величин, характери­зующих это поле в окружающем простран­стве. Для этого рассмотрим частный слу­чай — однородное магнитное поле внутри длинного соленоида. Подставив в формулу (130.1) выражение (126.2), получим

Так как I=Вl/(₀N) (см. (119.2)) и В=₀H (см. (109.3)), то

где Sl=V — объем соленоида.

Магнитное поле соленоида однородно и сосредоточено внутри него, поэтому энергия (см. (130.2)) заключена в объеме соленоида и распределена в нем с постоянной объемной плотностью

Выражение (130.3) для объемной плотности энергии магнитного поля имеет вид, аналогичный формуле (95.8) для объемной плотности энергии электроста­тического поля, с той разницей, что элек­трические величины заменены в нем маг­нитными. Формула (130.3) выведена для однородного поля, но она справедлива и для неоднородных полей. Выражение (130.3) справедливо только для сред, для которых зависимость В от Н линейная, т. е. оно относится только к пара- и диамагнетикам (см. § 132).

Контрольные вопросы

• В чем заключается явление электромагнитной индукции? Проанализируйте опыты Фарадея.

• Что является причиной возникновения э.д.с. индукции в замкнутом проводящем контуре? • Отчего и как зависит э.д.с. индукции, возникающая в контуре?

• Почему для обнаружения индукционного тока лучше использовать замкнутый проводник

в виде катушки, а не в виде одного витка провода?

• Сформулируйте правило Ленца, проиллюстрировав его примерами.

• Всегда ли при изменении потока магнитной индукции в проводящем контуре в нем возникает э.д.с. индукции? индукционный ток?

• Возникает ли индукционный ток в проводящей рамке, поступательно движущейся в однород­ном магнитном поле?

• Покажите, что закон Фарадея есть следствие закона сохранения энергии.

• Какова природа э.д.с. электромагнитной индукции?

• Выведите выражение для э.д.с. индукции в плоской рамке, равномерно вращающейся в одно­родном магнитном поле. За счет чего ее можно увеличить?

• Что такое вихревые токи? Вредны они или полезны?

• Почему сердечники трансформаторов не делают сплошными?

• В чем заключаются явления самоиндукции и взаимной индукции? Вычислите э.д.с. индукции

для обоих случаев,

• В чем заключается физический смысл времени релаксации =L/R Докажите, что оно имеет

• Приведите соотношение между токами в первичной и вторичной обмотках повышающего транс­форматора.

• Когда э.д.с. самоиндукции больше — при замыкании или размыкании цепи постоянного тока?

• Какая физическая величина выражается в генри? Дайте определение генри.

• В чем заключается физический смысл индуктивности контура? взаимной индуктивности двух контуров? От чего они зависят?

• Запишите и проанализируйте выражения для объемной плотности энергии электростатического и магнитного полей. Чему равна объемная плотность энергии электромагнитного поля?

• Напряженность магнитного поля возросла в два раза. Как изменилась объемная плотность энергии магнитного поля?

15.1. Кольцо из алюминиевого провода (=26 нОм•м) помещено в магнитное поле перпендику­лярно линиям магнитной индукции. Диаметр кольца 20 см, диаметр провода 1 мм. Опреде­лить скорость изменения магнитного поля, если сила тока в кольце 0,5 А. [0,33 Тл/с]

15.2. В однородном магнитном поле, индукция которого 0,5 Тл, равномерно с частотой 300 мин -1 вращается катушка, содержащая 200 витков, плотно прилегающих друг к другу. Площадь поперечного сечения катушки 100 см 2 . Ось вращения перпендикулярна оси катушки и направлению магнитного поля. Определить максимальную э.д.с., индуцируемую в катушке. [31,4 В].

15.3. Определить, сколько витков проволоки, вплотную прилегающих друг к другу, диаметром 0,3 мм с изоляцией ничтожной толщины надо намотать на картонный цилиндр диаметром 1 см, чтобы получить однослойную катушку с индуктивностью 1 мГн. [304]

15.4. Определить, через сколько времени сила тока замыкания достигнет 0,98 предельного значе­ния, если источник тока замыкают на катушку сопротивлением 10 Ом и индуктивностью 0,4 Гн. [0,16 с]

15.5. Два соленоида (индуктивность одного L₁=0,36 Гн, второго L₂ = 0,64 Гн) одинаковой длины и практически равного сечения вставлены один в другой. Определить взаимную индуктив­ность соленоидов. [0,48 Гн]

15.6. Автотрансформатор, понижающий напряжение с U₁=5,5 кВ до U₂=220 В, содержит в пер­вичной обмотке N₁=1500 витков. Сопротивление вторичной обмотки R₂=2 Ом. Сопротивле­ние внешней цепи (в сети пониженного напряжения) R=13 Ом. Пренебрегая сопротив­лением первичной обмотки, определить число витков во вторичной обмотке трансформатора. [68]

Энергия магнитного поля

3.4. Энергия магнитного поля. Для определения энергии магнитного поля рассмотрим контур, состоящий из источника э.д.с. — ε, катушки индуктивности — L и сопротивления — R (рис.3.4). При замыкании цепи ток возрастает от 0 до I, и, следовательно, возникает э.д.с. самоиндукции ε_is, направленная против э.д.с. ε, возбуждающей ток. При размыкании цепи сила тока уменьшается от I до 0, что вызывает появление э.д.с. самоиндукции ε_is того же направления, что и направление внешней ε. Можно предположить, что на увеличение тока в контуре затрачивается дополнительная работа, идущая на создание энергии магнитного поля. При снижении тока эта энергия выделяется в виде дополнительного джоуль-ленцева тепла. Пусть при замыкании контура ток меняется со скоростью dI/dt. Тогда, как мы уже знаем, в контуре индуцируется э.д.с. самоиндукции εs, равная -LdI/dt, препятствующая изменениям тока. В контуре действует также постоянная э.д.с. ε. Если за положительное направление тока принять то направление, в котором ε заставляет течь ток в контуре, то полная э.д.с. в любой момент времени будет равна ε- LdI/dt. Эта суммарная э.д.с. вызывает ток I через сопротивление R. На сопротивлении происходит падение напряжения, равное IR. Закон Ома для контура имеет вид . Подсчитаем работу, совершаемую источником э.д.с. за время dt. Для этого воспользуемся формулой для мощности тока N=dA/dt=Iε. Объединив два последних выражения, получим Первое слагаемое dA1 = I2Rdt – это работа, расходуемая на нагревание проводника, т.е. тепло, выделяемое в проводнике за время dt. Второе слагаемое dA2 = LIdI – работа, обусловленная индукционными явлениями. Данная дополнительная работа, затрачиваемая на увеличение силы тока в контуре от 0 до I, находится как интеграл: .

Рекомендуемые материалы

Изучение электростатического поля с помощью электрической ванны
190 90 руб.
Изучение электростатического поля
190 90 руб.
Поляризация световых волн
Поляризация световых волн
190 90 руб.
Изучение функции распределения термоэлектронов по энергиям
150 129 руб.
Измерение составляющих магнитного поля Земли методом наложения внешнего поля

Полученная работа LI2/2 представляет собой собственную энергию тока в контуре с индуктивностью L. Увеличение силы тока в проводнике вызывает соответствующее усиление его магнитного поля, которое, подобно электрическому, обладает энергией. Найденная нами собственная энергия тока в контуре есть не что иное, как энергия Wm магнитного поля этого контура с током. Эта энергия запасена в магнитном поле катушки так же, как энергия электрического поля запасена в заряженном конденсаторе. Таким образом, . В этой формуле магнитная энергия выражена через параметры, характеризующие контур с током – силу тока I и индуктивность катушки L. Ту же энергию Wm можно выразить через параметры, характеризующие само магнитное поле, а именно, напряженность поля , магнитную индукцию и объем занимаемого полем пространства V. Для этого найдем энергию магнитного поля соленоида. Воспользуемся полученным нами ранее выражением для индуктивности соленоида: L = n2μμ0V. Индукция магнтного поля соленоида В = nμμ0I, откуда I=B/nμμ0. Таким образом, искомая энергия: . Так как В= μμ0Н, то. Ещё посмотрите лекцию «Психологические особенности следствия по делам несовершеннолетних» по этой теме. Если магнитное поле однородно, его энергия распределена равномерно по всему объему поля с некоторой объемной плотностью w_m: . Последнее соотношение можно переписать в трех эквивалентных формах: . Если магнитное поле неоднородно, его объемная плотность меняется от точки к точке. Зная wm в каждой точке, можно найти энергию поля, заключенную в некотором объеме V. Для этого нужно вычислить интеграл: .

Поделитесь ссылкой:

Рекомендуемые лекции

• Логические операции и отношения
• Психологические особенности следствия по делам несовершеннолетних
• 1 Краткие сведения из равновесной термодинамики. Понятие о рабочем теле
• 4.2 Структурные элементы конфликта
• 51 Рокош Любомирского

W li 2 2 что за формула

Из вышесказанного становится ясно, что возникающий в контуре собственный магнитный поток прямо пропорционален силе проходящего через контур тока — Ф~I или:

Здесь L является коэффициентом пропорциональности (между Ф и I) и называется индуктивностью контура (катушки).

Индуктивность зависит от геометрических размеров контура (катушки), от магнитной проницаемости среды внутри него, от числа витков. Она не зависит от силы тока в контуре и магнитного потока.

Индуктивность — скалярная величина, единица ее измерения в СИ названа генри (1 Гн), в честь американского ученого Джозефа Генри:

• 1 Гн — индуктивность такого контура (катушки), в которой при силе тока 1А через контур проходит собственный магнитный поток 1 Вб.

Если учесть выражение (1) в законе электромагнитной индукции, то получим, что ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна скорости изменения силы тока, проходящего через контур:

Здесь ε_is — ЭДС самоиндукции, ΔI
Δt — скорость изменения силы тока в контуре.

Энергия магнитного поля. Согласно закону сохранения энергии, работа, совершенная при создании ЭДС индукции, будет равна энергии магнитного поля, создавшего его. Для определения этой энергии удобно воспользоваться схожестью явления самоиндукции с явлением инерции. Так, индуктивность L играет такую же роль при изменениях силы тока I в электромагнитных процессах, какую играет масса m — при изменениях скорости υ в механических процессах. Тогда для энергии магнитного поля, создаваемого контуром в электромагнитных явлениях, можно принять выражение, аналогичное выражению кинетической энергии тела в механических явлениях:

Если в этом выражении учесть формулу (1), получим ещё две формулы для энергии магнитного поля:

Из теоретических вычислений получено, что плотность энергии магнитного поля прямо пропорциональна квадрату магнитной индукции и обратно пропорциональна магнитным свойствам среды:

Физика. Формулы

I. Кинематика Y A Движущаяся точка А Траектория точки А — линия, по которой движется точка. 1. Основные понятия Радиус-вектор — вектор, описывающий расположение точки в пространстве. Это направленный отрезок, проведенный из начала Система отсчета — ry = y r. Показать больше

I. Кинематика Y A Движущаяся точка А Траектория точки А — линия, по которой движется точка. 1. Основные понятия Радиус-вектор — вектор, описывающий расположение точки в пространстве. Это направленный отрезок, проведенный из начала Система отсчета — ry = y r координат в точку, положение которой он задает. совокупность тела отсчета, r Координата точки равна проекции радиус-вектора на координатную ось системы координат, связанной с телом отсчета, и часов, X Тело отсчета — тело, относительно которого рассматривается неподвижных относительно О rx = x движение других тел. тела отсчета. Скорость точки r r r r Y ∆r — Перемещение точки — изменение радиус-вектора r ∆r r ∆r dr r 1 (направленный отрезок, проведенный из начального v= v = lim = = r ′(t ) положения точки в ее конечное положение). ∆t ∆t →0 ∆t dt r r r r если v = const r ∆r = r2 − r1 s – путь, пройденный точкой — Перемещение точки за время ∆t r1 r длина участка траектории между начальным Ускорение точки r2 2 1 положением (1) и конечным Спрятать

• Похожие публикации
• Поделиться
• Код вставки
• Добавить в избранное
• Комментарии