Закон Фарадея: ЕРС від змінного поля
1 · Прогноз
Провідний контур лежить у магнітному полі, напруженість якого коливається в часі (площа контуру фіксована). Чи з'являється ЕРС у контурі, хоча сам контур не рухається?
- Ні — ЕРС потребує фізичного руху контуру чи джерела поля.
- Так — закон Фарадея каже, що змінний потік індукує ЕРС, навіть у нерухомому контурі, поки саме поле змінюється.
- ЕРС з'являється лише якщо контур рухається крізь поле.
2 · Установка
- Відкрийте пресет changing-flux-b та натисніть «Скинути». Площа контуру фіксована 0.02 м²; поле коливається як B(t) = 0.6 T × (1 + 0.5 sin(2π × 0.4Hz × t)).
- Увімкніть показ індукованої ЕРС.
- Зчитуйте індуковану ЕРС у кожен указаний момент.
3 · Збір даних
| Час t (s) | Індукована ЕРС (mV) |
|---|---|
| 0.30 | |
| 0.70 | |
| 1.10 |
Побудуйте індуковану ЕРС (вісь y) проти часу t (вісь x) для трьох зчитувань і накидайте, як вона коливається за один повний період (2.5 с).
4 · Аналіз
- Для одного заміру обчисліть ЕРС = −A·dB/dt = −A·B₀·0.5·ω·cos(ωt) з A = 0.02 м², B₀ = 0.6 T, ω = 2π×0.4 rad/s. Порівняйте з таблицею.
- Поясніть, чому індукована ЕРС пропорційна тому, наскільки ШВИДКО змінюється поле (dB/dt), а не миттєвому значенню поля — ЕРС може бути великою, навіть коли B близьке до свого середнього, якщо B там швидко змінюється.
5 · Поглиблення
- Це базовий принцип генератора змінного струму: замість зміни B безпосередньо генератор обертає контур у фіксованому полі, що так само ефективно змінює потік. Поясніть, чому конструкція генератора зазвичай обертає котушку, а не коливає магнітом.
- Мінус у ЕРС = −dΦ/dt (закон Ленца) означає, що індукований струм протидіє зміні, що його спричинила. Поясніть, що фізично означає «протидія зміні» для контуру в зростаючому полі проти спадного.
Фізика цього експерименту
Закон Фарадея (змінне поле)
Магнітний потік крізь контур — Φ = BA. Коли B змінюється в часі (A фіксована), закон Фарадея дає індуковану ЕРС = −dΦ/dt = −A·dB/dt — пропорційну площі контуру та швидкості зміни поля.