§ 58. Магнитный поток

ЧТО ТАКОЕ МАГНИТНЫЙ ПОТОК: НАГЛЯДНЫЙ ФИЗИЧЕСКИЙ СМЫСЛ

В предыдущих темах мы детально изучили силовую характеристику магнитного поля — вектор магнитной индукции $\vec{B}$, а также движение проводников под действием сил Ампера. Однако для глубокого понимания связи между электрическими и магнитными явлениями физикам потребовалась новая фундаментальная величина — магнитный поток (или поток вектора магнитной индукции), обозначаемый греческой буквой $\Phi$ («фи»).

Строгое математическое определение магнитного потока изучается в старших классах, однако в курсе физики 8 класса его можно представить совершенно наглядно:

Магнитный поток $\Phi$ — это физическая величина, прямо пропорциональная общему числу линий магнитной индукции, пронизывающих поверхность, ограниченную данным замкнутым контуром.

Для образного понимания представьте поток солнечного света, льющийся сквозь открытую оконную раму. Чем ярче светит солнце (сильнее поле) и чем шире распахнуто окно (больше площадь контура), тем большее количество световых лучей проходит в комнату. Магнитный поток в точности так же показывает, какой суммарный «поток» магнитных силовых линий захватывает проводящая рамка.

ОТ КАКИХ ВЕЛИЧИН ЗАВИСИТ МАГНИТНЫЙ ПОТОК

Величина магнитного потока $\Phi$, проходящего сквозь плоский замкнутый контур, зависит от трёх главных геометрических и физических факторов:

1. Зависимость от модуля вектора магнитной индукции $B$ (рис. 161, а, б):
   • Линии магнитной индукции графически изображают так, чтобы их густота была пропорциональна модулю индукции $B$ в данной области пространства.
   • Если индукция поля возрастает в $n$ раз (например, от значения $B_1$ до $B_2 = n \cdot B_1$), линии поля располагаются в $n$ раз гуще.
   • Соответственно, число силовых линий, пронизывающих контур той же площади $S$, увеличивается ровно в $n$ раз.
   • Вывод: Магнитный поток прямо пропорционален магнитной индукции поля ($\Phi \sim B$).
2. Зависимость от площади контура $S$ (рис. 161, в):
   • Если поместить в одно и то же однородное магнитное поле с индукцией $B_1$ два контура разного размера, то контур большей площади $S'$ охватит пропорционально большее количество силовых линий, чем малый контур площадью $S$.
   • Во сколько раз площадь контура $S'$ больше площади $S$, во столько же раз магнитный поток через второй контур превышает поток через первый.
   • Вывод: Магнитный поток прямо пропорционален площади поверхности, ограниченной контуром ($\Phi \sim S$).

РОЛЬ ОРИЕНТАЦИИ КОНТУРА В ПРОСТРАНСТВЕ (МАКСИМУМ И НОЛЬ)

Третьим важнейшим фактором является пространственное расположение (ориентация) плоскости рамки относительно направления магнитных линий (рис. 161, г и рис. 162):

• Максимальный магнитный поток ($\Phi = \Phi_{\max}$):

Когда плоскость контура расположена строго перпендикулярно линиям магнитной индукции (рис. 161, а), силовые линии пронизывают рамку насквозь под прямым углом. В этом случае контур пересекает максимально возможное число линий поля, и магнитный поток достигает своего абсолютного максимума:

• Уменьшение потока при повороте:

Если начать плавно поворачивать контур вокруг оси $OO'$, пересекающей линии индукции, видимая проекция площади контура для линий поля будет сокращаться. Число проходящих сквозь рамку линий начнет убывать, и магнитный поток будет уменьшаться.

• Нулевой магнитный поток ($\Phi = 0$):

Когда плоскость контура повернётся на 90° и расположится строго параллельно линиям магнитной индукции (рис. 161, г), силовые линии будут скользить вдоль плоскости рамки, не пронизывая охватываемую ею площадь насквозь. В таком положении магнитный поток через контур равен нулю.

• Особый случай вращения (рис. 162):

Если линии магнитного поля изначально лежат в самой плоскости контура, и мы вращаем контур вокруг оси, параллельной линиям поля, то линии в любой момент времени остаются в плоскости рамки и никогда не пересекают её внутреннюю область. В таком режиме магнитный поток остаётся равным нулю на протяжении всего движения!

ЕДИНИЦА ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНОГО ПОТОКА В СИ (ВЕБЕР)

В Международной системе единиц (СИ) единица магнитного потока названа вебер (Вб) — в честь выдающегося немецкого физика Вильгельма Эдуарда Вебера (1804–1891), внесшего огромный вклад в создание системы электрических измерений:

Один вебер — это магнитный поток, создаваемый однородным магнитным полем с индукцией 1 Тесла, пронизывающий по нормали плоскую поверхность площадью 1 квадратный метр.

СПОСОБЫ ИЗМЕНЕНИЯ МАГНИТНОГО ПОТОКА И ОПЫТ С КАТУШКАМИ

Поскольку магнитный поток зависит от величины поля, площади контура и угла наклона, изменить магнитный поток сквозь проводящий контур можно тремя фундаментальными способами:

1. Изменением магнитной индукции $B$:

Приближением постоянного магнита к контуру или его удалением, регулировкой тока в соседнем электромагните с помощью реостата, либо введением железного сердечника внутрь катушки.

1. Изменением площади контура $S$:

Механической деформацией рамки из гибкого провода (сжатием в узкую полоску или растяжением в широкий круг в постоянном поле).

1. Вращением контура в пространстве:

Поворотом или непрерывным вращением рамки вокруг оси относительно направления магнитных линий поля.

Разбор физической задачи из учебника (рис. 163):

• В цепь источника постоянного тока последовательно включены катушка $K_1$ со стальным сердечником, реостат $R$ и ключ $K$. Ток катушки $K_1$ создаёт магнитное поле, которое пронизывает витки соседней изолированной катушки $K_2$.
• Как изменить магнитный поток через катушку $K_2$?

1. Замкнуть или разомкнуть ключ $K$ (поле мгновенно возникает или исчезает).
2. Передвинуть ползунок реостата $R$ (изменится сила тока в $K_1$ и индукция её поля).
3. Приблизить катушку $K_2$ ближе к $K_1$ или отодвинуть её дальше.
4. Выдвинуть стальной сердечник из катушки $K_1$ (поле резко ослабнет) или ввести его обратно.

• Что произойдёт при перемещении ползунка реостата вправо?

При движении ползунка реостата вправо длина рабочей части проводника реостата возрастает $\to$ сопротивление электрической цепи $R$ увеличивается $\to$ по закону Ома для участка цепи сила тока в катушке $K_1$ уменьшается $\to$ создаваемое ею магнитное поле ослабевает $\to$ магнитный поток через катушку $K_2$ уменьшается.

Почему изменение магнитного потока столь важно для человечества?

Потому что именно факт изменения магнитного потока сквозь проводящий контур во времени лежит в основе величайшего открытия Майкла Фарадея — явления электромагнитной индукции, которое дало миру генераторы электрического тока и всю современную энергетику!