.png)
INDUCŢIA MAGNETICĂ. FORŢA ELECTROMAGNETICĂ
Să ne amfretim__________________________________________________________________________________________ 'Pentru a defini mărimea fizică ce caracterizează cîmpul magnetic, vom trece în revistă mărimile respective introduse pentru cîmpul gravitaţional şi cel electrostatic. în ambele cazuri se cercetează . acţiunea cîmpului asupra unui corp de probă respectiv, introdus în el.
în cazul cîmpului gravitaţional, corpul de probă este un corp punctiform de masă m. La introducerea în unul şi acelaşi punct al cîmpului a corpurilor de probă de mase m diferite, asupra lor acţionează forţe F
diferite. Experimentele arată însă că raportul rămîne constant. Anume această mărime F=jrl> denumită intensitate a cîmpului gravitaţional, este considerată caracteristica de forţă a acestuia.
Corpul de probă în cazul cîmpului electrostatic reprezintă un corp punctiform electrizat cu sarcina q. La introducerea corpurilor de probă cu sarcini diferite q în unul şi acelaşi punct al cîmpului, asupra
acestora acţionează forţe F diferite, raportul fiind acelaşi. Raportul E - este caracteristica de forţă, denumită intensitate a cîmpului electric.
Pentru a cerceta cîmpul magnetic, să efectuăm experimentul următor.
De un dinamometru sensibil suspendăm un cadru de forma unui triunghi isoscel format din mai multe spire conductoare, izolate între ele. Latura inferioară a cadrului se află între polii unor magneţi permanenţi în formă de potcoavă (fig. 1.5). Dinamometrul indică forţa de greutate a cadrului.
Se montează circuitul format din cadru, sursă de curent, ampermetru şi reostat (în figură nu sînt indicate). Dacă intensitatea curentului printr-o spiră este egală cu I, intensitatea lui prin latura cadrului este egală cu NI, unde N este numărul de spire.
în prezenţa curentului electric, asupra porţiunii de cadru aflată între polii magnetici acţionează o forţă, iar indicaţia dinamometrului se măreşte sau se micşorează în funcţie de sensul curentului în cadru. Prin urmare cîmpul magnetic acţionează asupra conductorului parcurs de curent electric cu o forţă denumită forţă electromagnetică Fm. Calculînd diferenţa indicaţiilor dinamometrului, se determină valoarea forţei electromagnetice.
Fig. 1.5
1
Variind intensitatea curentului I cu ajutorul reosta- tului, stabilim că Fm ~ I. Pentru a modifica lungimea l a porţiunii de conductor, aflată în cîmp magnetic, se folosesc mai mulţi magneţi de acelaşi fel. Se constată că în cazul a doi magneţi forţa electromagnetică este de două ori mai mare decît în cazul numai a unuia din ei, stabilindu-se astfel că Fm ~ l. Rotind magneţii în jurul axei verticale, modificăm unghiul a dintre conductorul parcurs de curent şi linia magnetică. Se observă că micşorarea acestui unghi este însoţită de micşorarea forţei electromagnetice.
Să introducem caracteristica de forţă a cîmpului magnetic. Vom admite, pentru simplitate, că acesta este omogen. Cîmpul magnetic acţionează asupra conductorului parcurs de curent. De aceea în calitate de corp de probă se ia o porţiune rectilinie a conductorului, denumită element de curent. El este caracterizat atît de intensitatea curentului I în el, cît şi de lungimea l a porţiunii, adică de produsul II. După cum s-a menţionat, forţa electromagnetică ce acţionează asupra elementului de curent depinde nu numai de produsul II, ci şi de orientarea elementului de curent faţă de cîmpul magnetic. Forţa este maximă (F = Fmax) dacă conductorul este perpendicular pe liniile magnetice şi este nulă (F = 0) dacă conductorul este orientat de-a lungul acestor linii.
S-a stabilit că pentru locul dat al cîmpului magnetic forţa Fmax ia valori diferite pentru valori diferite
ale produsului II, dar mărimea —~i. rămîne constantă. Această mărime este considerată caracteristica de forţă a cîmpului magnetic cu denumirea de inducţie a cîmpului magnetic sau, simplu, inducţie magnetică, cu simbolul B.
Astfel, conform definiţiei, valoarea inducţiei magnetice p
B
II
(1.1)
Inducţia magnetică este o mărime vectorială al cărei modul este egal cu raportul dintre valoarea forţei maxime care acţionează din partea cîmpului magnetic omogen asupra unei porţiuni rectilinii de conductor şi produsul intensităţii curentului în conductor la lungimea acestei porţiuni.
Unitatea de inducţie magnetică este numită tesla, în onoarea savantului croat Nicola Tesla (1856-1943), considerat fondator al industriei electrotehnice moderne. Conform formulei (1.1), avem:
[B] =
[Fm
mm
adică 1T = lN/(A-m).
N
A-m
Un tesla este inducţia cîmpului magnetic omogen care acţionează cu o forţă maximă de 1 N asupra porţiunii cu lungimea de 1 m a unui conductor rectiliniu destul de lung, parcurs de un curent electric de intensitate 1 A.
Direcţia şi sensul vectorului inducţiei magnetice B sînt indicate de direcţia sud-nord (S-N) a acului magnetic situat în locul respectiv al cîmpului.
Introducerea vectorului inducţiei B necesită precizarea unor noţiuni menţionate mai sus. Linie magnetică a fost definită (par. 1.1) linia în fiecare punct al căreia direcţia tangentei coincide cu cea a acului magnetic. Prin urmare în fiecare punct al acestei linii vectorul B are direcţia tangentei ei. Acest lucru justifică precizarea denumirii complete a liniei magnetice - linie de inducţie magnetică. în corespundere cu cele menţionate în paragraful 1.1, liniile de inducţie sînt linii închise. Cîmpul ale cărui linii sînt închise este numit cîmp turbionar. Prin urmare cîmpul magnetic este turbionar. încă o precizafe: cîmp omogen este cîmpul în toate punctele căruia inducţia magnetică B este aceeaşi.
Pornind de la formula (1.1), exprimăm forţa electromagnetică maximă
Fmax = IlB. (1.2)
După cum s-a menţionat, forţa electromagnetică este maximă dacă conductorul rectiliniu este perpendicular pe vectorul inducţiei magnetice B. S-a stabilit că, la rîndul său, forţa electromagnetică Fraax este perpendiculară atît pe conductor, cît şi pe vectorul B. Sensul acestei forţe se determină, cel mai frecvent, folosind regula mîinii stingi:
Dacă aşezăm mina stingă astfel incit liniile de inducţie magnetică să intre perpendicular în palmă, iar cele patru degete întinse să indice sensul curentului electric, atunci degetul mare poziţionat lateral sub unghi drept faţă de celelalte în planul palmei indică sensul forţei electromagnetice (fig. 1.6, a).
Regula dată a fost formulată de către fizicianul englez John A. Fleming (1849-1945) şi, datorită acestui fapt, îi poartă numele.
în cazul în care inducţia magnetică B nu este perpendiculară pe conductor, formînd cu el un unghi arbitrar a, vectorul B se descompune în două componente: B|| - paralelă la conductor şi BL - perpendiculară pe el (fig. 1.6, b). Aşadar, acţiunea magne-
8
tică asupra conductorului este efectuată numai de componenta Bi. Respectiv, forţa electromagnetică: Fm = IlBL. Studiind figura 1.6, b, observăm că Bx = B şina. Astfel, obţinem expresia generală a forţei electromagnetice
Fm = IlBL-IlBsin a. (1.3)
La determinarea sensului forţei Fm, în acest caz, folosim regula mîinii stingi cu o singură deosebire: în palmă intră componenta B± a inducţiei magnetice.
© Verificaţi-vă cunoştinţele
1. Cum se defineşte modulul inducţiei cîmpului magnetic? Care este unitatea acesteia?
2. Cum poate fi determinată direcţia şi sensul forţei electromagnetice?
3. Ce factori determină valoarea forţei care acţionează din partea cîmpului magnetic asupra unei porţiuni de conductor parcurs de curent electric?
4. Un conductor rectiiiniu cu lungimea de 0,6 m se află intr-un cîmp magnetic omogen, perpendicular pe liniile de inducţie ale acestuia. Care este inducţia cîmpului ce ar acţiona asupra conductorului cu o forţă de 0,15 N la o intensitate a curentului în el egală cu 2,5 A?
5. O porţiune a unui conductor parcurs de curent electric se află într-un cîmp magnetic omogen. La intensitatea curentului prin conductor, egală cu 2,4 A, asupra acestei porţiuni acţionează o forţă electromagnetică de 0,48 N. Ce forţă ar acţiona asupra
Fig. 1.6
acestei porţiuni dacă, fără a schimba poziţia ei, intensitatea curentului în ea ar deveni egală cu 3,6 A?
6. Un conductor ce formează un unghi de 30° cu liniile de inducţie ale cîmpului magnetic este parcurs de un curent electric cu intensitatea de 1,2 A. Determinaţi valoarea forţei electromagnetice care acţionează asupra porţiunii de conductor cu lungimea de 0,75 m, dacă inducţia magnetică este egală cu 0,8 T.
7* Un conductor cu masa de 8 g şi lungimea de 20 cm, ' suspendat orizontal de două fire metalice subţiri, se află în cîmp magnetic orizontal, fiind perpendicular pe liniile de inducţie magnetică ale acestuia. Determinaţi forţa de tensiune a fiecărui fir în cazul în care prin conductor circulă curent cu intensitatea de 3 A, iar inducţia magnetică este egală cu 0,05 T. Analizaţi cazurile posibile.
8. Elaboraţi planul lucrării de laborator „Studiul acţiunii cîmpului magnetic asupra curentului electric" în baza experimentului din figura 7.5. Realizaţi lucrarea şi formulaţi concluziile.
0 comentarii: