Магнітний потік
~15 хв · 8 розділів · 9 тестових запитань
Частина кар’єрної траєкторії Підготовка до НМТ 2027: Фізика — повний курс.
Обчислюй магнітний потік через контур за формулою Φ = BS·cos α, визначай кут між вектором індукції та нормаллю, пояснюй, як зміна поля, площі або орієнтації контуру впливає на потік.
Уявімо замкнений дротяний контур, розташований у магнітному полі. Крізь нього проходить певна кількість ліній магнітної індукції. Саме цю кількість — а точніше, міру того, наскільки густо лінії пронизують контур — називають магнітним потоком і позначають грецькою літерою Φ (фі).
Магнітний потік Φ — це скалярна фізична величина, яка характеризує число ліній магнітної індукції, що пронизують замкнений контур. Для однорідного магнітного поля й плоского контуру його обчислюють за формулою:
Тут B — модуль вектора магнітної індукції (у теслах, Тл), S — площа контуру (у квадратних метрах, м²), а α — кут між вектором B⃗ і нормаллю n⃗ до площини контуру.
Що таке нормаль і чому кут α?
Нормаль — це уявний перпендикуляр до площини контуру. Якщо контур лежить на столі, нормаль напрямлена вертикально вгору (або вниз — напрям обирають довільно). Кут α — це кут між вектором магнітної індукції B⃗ і цією нормаллю n⃗. Важливо не плутати: кут між B⃗ і самою площиною контуру дорівнює 90° − α. Якщо лінії поля перпендикулярні до площини, то α = 0°; якщо паралельні площині, то α = 90°.
Одиниця вимірювання — вебер
У СІ магнітний потік вимірюють у веберах (Вб). Один вебер — це потік, який створює однорідне поле індукцією 1 Тл через плоску поверхню площею 1 м², розташовану перпендикулярно до ліній поля:
На практиці площу контуру часто дають у квадратних сантиметрах (см²). Обов'язково переводи її в квадратні метри:
500 см² = 500 · 10⁻⁴ м² = 0,05 м²
200 см² = 200 · 10⁻⁴ м² = 0,02 м²
20 см² = 20 · 10⁻⁴ м² = 2 · 10⁻³ м²
Числовий приклад
Нехай B = 0,2 Тл, площа контуру S = 0,05 м², а кут між B⃗ і нормаллю α = 60°. Тоді cos 60° = 0,5, і магнітний потік дорівнює:
Відповідь можна записати як 5 мВб (мілівеберів) або 5 · 10⁻³ Вб.
Додатний, від'ємний і нульовий потік
Хоча магнітний потік — скаляр, він може бути додатним, від'ємним або нульовим залежно від знака cos α:
якщо α < 90° (cos α > 0) — потік додатний;
якщо α = 90° (cos α = 0) — потік дорівнює нулю;
якщо α > 90° (cos α < 0) — потік від'ємний.
Від'ємний потік означає, що лінії індукції пронизують контур у напрямі, протилежному до обраного напряму нормалі. Це важливо, коли обчислюють зміну потоку ΔΦ = Φ₂ − Φ₁.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Магнітний потік через контур залежить від того, під яким кутом лінії індукції перетинають площину контуру. Розгляньмо три характерні положення.
Потік максимальний: α = 0°
Коли площина контуру перпендикулярна до ліній магнітної індукції, вектор B⃗ збігається з напрямом нормалі n⃗. Кут α = 0°, cos 0° = 1, тому магнітний потік найбільший:
У цьому положенні всі лінії індукції, які потрапляють у контур, пронизують його наскрізь.
Потік нульовий: α = 90°
Коли площина контуру паралельна лініям індукції, вектор B⃗ перпендикулярний до нормалі. Кут α = 90°, cos 90° = 0, тому магнітний потік дорівнює нулю:
Лінії індукції ковзають уздовж площини контуру, не перетинаючи її. Жодна лінія не проходить крізь контур.
Потік від'ємний: α = 180°
Якщо контур повернути на 180° відносно початкового положення, нормаль n⃗ буде напрямлена протилежно до B⃗. Кут α = 180°, cos 180° = −1, тому:
Зміна потоку після повороту на 180° зі стартового положення (α = 0°) становить:
Тобто потік змінюється на величину, вдвічі більшу за початковий, але з протилежним знаком.
Проміжні кути
Для інших кутів потік обчислюють через cos α. У задачах зазвичай використовують такі «табличні» кути:
Кут α | cos α | Потік Φ | Як змінюється |
|---|---|---|---|
0° | 1 | BS | максимум |
30° | √3/2 ≈ 0,87 | 0,87·BS | зменшився на 13% |
45° | √2/2 ≈ 0,71 | 0,71·BS | зменшився на 29% |
60° | 0,5 | 0,5·BS | зменшився вдвічі |
90° | 0 | 0 | нуль |
180° | −1 | −BS | від'ємний |
Поворот рамки на 60° із положення, перпендикулярного до ліній (α = 0°), зменшує потік удвічі, оскільки cos 60° = 0,5. Поворот на 30° дає Φ = BS·√3/2 ≈ 0,87·BS, а на 45° — Φ = BS·√2/2 ≈ 0,71·BS.
Рамка, що обертається рівномірно
Якщо рамка обертається в однорідному магнітному полі з кутовою швидкістю ω, то кут α змінюється з часом за законом α = ωt. Тоді магнітний потік змінюється періодично:
Це гармонічне коливання потоку — основа принципу дії генератора змінного струму. Детально цей механізм розглядають у відповідному юніті.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Магнітний потік Φ = BS·cos α може змінюватися, якщо змінюється хоча б одна з трьох величин: індукція магнітного поля B, площа контуру S або кут α між вектором індукції та нормаллю. Розгляньмо кожен спосіб окремо.
Зміна індукції B
Якщо магнітне поле посилюється або послаблюється, потік через контур змінюється пропорційно до B. На практиці це відбувається, коли:
наближати або віддаляти магніт від контуру — чим ближче магніт, тим більша індукція в зоні контуру;
змінювати силу струму в сусідній котушці — більший струм створює сильніше магнітне поле;
вводити в котушку, яка створює поле, або виводити з неї феромагнітне осердя.
Зміна площі контуру S
Потік змінюється, коли контур деформується або змінює свою площу в межах магнітного поля. Приклади:
розтягування або стискання дротяної рамки — площа S зростає чи спадає;
ковзання провідника по двох паралельних рейках у магнітному полі — замкнена площа між рейками й провідником збільшується, тому потік зростає.
Зміна кута α (орієнтації контуру)
Обертання рамки в магнітному полі змінює кут між вектором індукції та нормаллю. Навіть якщо B і S не змінюються, потік змінюється через cos α. Саме так працює генератор змінного струму: рамка обертається, потік періодично змінюється від +BS до −BS.
Коли потік не змінюється
Важливий окремий випадок: якщо контур рухається поступально в однорідному магнітному полі, а його площа й орієнтація залишаються незмінними, то магнітний потік через контур не змінюється. У такому разі індукційний струм не виникає — це демонструє дослід, у якому рамку переміщують між полюсами магніту, не обертаючи її.
Потокозчеплення для котушки з N витків
Якщо контур має N однакових витків (наприклад, котушка), то магнітний потік через один виток обчислюють за тією самою формулою Φ = BS·cos α. Повний потік, який пронизує всі витки, називають потокозчепленням:
Саме цю величину використовують у законі електромагнітної індукції для котушок. Докладно — у наступному юніті «Закон електромагнітної індукції».
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
У цьому розділі розв'яжемо типові задачі на магнітний потік у форматі НМТ.
Приклад 1. Обчислення потоку з переведенням площі
Рамка площею 200 см² розташована в однорідному магнітному полі з індукцією 0,3 Тл так, що лінії індукції перпендикулярні до її площини. Визнач магнітний потік через рамку в мілівеберах.
Розв'язання:
Переводимо площу в квадратні метри: 200 см² = 200 · 10⁻⁴ м² = 0,02 м².
Лінії індукції перпендикулярні до площини, отже, α = 0°, cos 0° = 1.
Обчислюємо потік: Φ = BS·cos α = 0,3 · 0,02 · 1 = 0,006 Вб.
Переводимо в мілівебери: 0,006 Вб = 6 мВб.
Відповідь: 6.
Типова пастка: не перевести площу з см² у м². Якщо взяти S = 200 замість 0,02, отримаєш Φ = 60 Вб — це неправильно, бо 1 м² = 10 000 см², а не 100.
Приклад 2. Поворот рамки на 60°
Рамка розташована в однорідному магнітному полі перпендикулярно до ліній індукції. Як зміниться магнітний потік через рамку, якщо її повернути на 60°?
А) зросте вдвічі
Б) зменшиться вдвічі
В) зменшиться до нуля
Г) не зміниться
Розв'язання: Початкове положення — площина рамки перпендикулярна до ліній, отже, α₁ = 0°, Φ₁ = BS. Після повороту на 60° кут між B⃗ і нормаллю стає α₂ = 60°, cos 60° = 0,5. Отже, Φ₂ = BS·0,5 = 0,5·Φ₁. Потік зменшився вдвічі.
Відповідь: Б) зменшиться вдвічі.
Чому інші варіанти неправильні:
А) зросте вдвічі — cos 60° = 0,5, а не 2; потік не може зрости, якщо рамку відхиляють від перпендикулярного положення.
В) зменшиться до нуля — для нульового потоку потрібен кут 90°, а не 60°.
Г) не зміниться — зміна кута завжди змінює cos α, а отже, і потік.
Приклад 3. Положення з нульовим потоком
У якому положенні рамки в однорідному магнітному полі магнітний потік через неї дорівнює нулю?
А) площина рамки перпендикулярна до ліній індукції
Б) площина рамки паралельна лініям індукції
В) площина рамки утворює кут 45° з лініями індукції
Г) рамка нерухома
Розв'язання: Магнітний потік дорівнює нулю, коли cos α = 0, тобто α = 90°. Кут α = 90° означає, що вектор B⃗ перпендикулярний до нормалі, а отже, площина контуру паралельна лініям індукції.
Відповідь: Б) площина рамки паралельна лініям індукції.
Чому інші варіанти неправильні:
А) площина перпендикулярна до ліній — це α = 0°, потік максимальний, а не нульовий.
В) кут 45° — cos 45° ≈ 0,71, потік не дорівнює нулю.
Г) нерухомість рамки не гарантує нульового потоку — потік залежить від орієнтації, а не від руху.
Приклад 4. Зміна потоку через зміну площі
Площа контуру в однорідному магнітному полі з індукцією 0,5 Тл змінилась від 0,04 м² до 0,10 м² за сталої орієнтації α = 0°. Визнач зміну магнітного потоку в мілівеберах.
Розв'язання:
Початковий потік: Φ₁ = B·S₁·cos 0° = 0,5 · 0,04 · 1 = 0,02 Вб.
Кінцевий потік: Φ₂ = B·S₂·cos 0° = 0,5 · 0,10 · 1 = 0,05 Вб.
Зміна потоку: ΔΦ = Φ₂ − Φ₁ = 0,05 − 0,02 = 0,03 Вб = 30 мВб.
Відповідь: 30.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Брати кут між B⃗ і площиною контуру замість кута між B⃗ і нормаллю. Якщо в задачі сказано, що площина контуру утворює кут 30° з лініями індукції, то α = 90° − 30° = 60°. Помилково підставляють cos 30° замість cos 60°. (Зауваж: sin 30° = cos 60°, тож через кут між вектором індукції та площиною можна рахувати Φ = BS·sin 30°.) Правильно: завжди визначай α як кут між B⃗ і нормаллю n⃗, а не між B⃗ і площиною.
Забувати переводити см² у м² або мТл у Тл. Площа в см² — поширена пастка в задачах. 1 м² = 10 000 см², тому 200 см² = 0,02 м², а не 2 м². Аналогічно з мілітеслами: 50 мТл = 0,05 Тл.
Думати, що потік максимальний, коли контур паралельний лініям. Насправді в цьому положенні (α = 90°) потік дорівнює нулю. Максимум досягається, коли площина контуру перпендикулярна до ліній (α = 0°).
Вважати, що потік — вектор і його не можна брати від'ємним. Магнітний потік — скаляр, але знак залежить від cos α. Від'ємний потік виникає, коли α > 90°, і це нормально: він просто показує, що лінії пронизують контур у протилежному напрямі.
Думати, що поступальне переміщення рамки в однорідному полі завжди змінює потік. Якщо рамка рухається, але її площа, орієнтація й індукція поля не змінюються, то потік залишається сталим. Індукційний струм виникає тільки за зміни потоку, а не за самого руху.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Формула магнітного потоку Φ = BS·cos α є в довідкових матеріалах НМТ. Повний перелік довідки з теми «Магнітне поле й електромагнітна індукція» містить: силу Ампера, силу Лоренца, магнітний потік, закон електромагнітної індукції, ЕРС у рухомому провіднику, ЕРС самоіндукції, Φ = LI та енергію магнітного поля.
Програма НМТ (тема 3.4) називає магнітний потік серед змісту й вимагає застосовувати закон електромагнітної індукції, для чого потік потрібен як проміжна величина. Тому магнітний потік часто є проміжною величиною в задачах на ЕРС індукції, але його можуть попросити обчислити й окремо.
Формат завдань:
Коротка відповідь (№ 17–22, 0 або 2 бали): число в одиниці з умови. Кут і площу в задачі часто дають у незручних одиницях — переведення в СІ входить до розв'язку. Відповідь записують цілим числом або десятковим дробом.
Завдання з вибором однієї відповіді (№ 1–14, 0 або 1 бал): «як зміниться» потік порівнюють без обчислення абсолютних значень, лише через cos α. Наприклад, поворот на 60° зменшує потік удвічі.
Стратегія розв'язування:
Завжди починай з переведення всіх величин в одиниці СІ: см² → м², мТл → Тл.
Визнач кут α між B⃗ і нормаллю до контуру, а не між B⃗ і площиною.
Якщо в задачі питають зміну потоку ΔΦ, обчисли Φ₁ і Φ₂ окремо, потім знайди різницю.
У завданнях «як зміниться» порівнюй cos α₁ і cos α₂ без обчислення BS.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Чому потік залежить від cos α, а не від sin α?
Тому що магнітний потік визначається кількістю ліній індукції, які пронизують контур перпендикулярно до його площини. Кут α — це кут між вектором індукції B⃗ і нормаллю n⃗ (перпендикуляром до площини). Складова вектора B⃗ уздовж нормалі дорівнює B·cos α. Якби ми брали кут між B⃗ і самою площиною, то справді отримали б sin, але в означенні потоку використовують саме нормаль, тому в формулі стоїть cos α.
Чи може магнітний потік бути від'ємним?
Так, може. Магнітний потік — скаляр, але його знак залежить від cos α. Коли α > 90°, cos α < 0, і потік стає від'ємним. Це означає, що лінії індукції пронизують контур у напрямі, протилежному до вибраного напряму нормалі. Від'ємний потік — звичайна ситуація, наприклад, після повороту рамки на 180°: Φ = −BS.
Навіщо переводити сантиметри квадратні в метри квадратні, якщо відповідь усе одно число?
Тому що одиниця магнітного потоку — вебер — визначена через метри квадратні: 1 Вб = 1 Тл·м². Якщо підставити площу в см², отримаєш число, яке не має фізичного змісту в СІ. На НМТ завдання з короткою відповіддю оцінюють у 0 балів, якщо відповідь неправильна через нехтування переведенням одиниць. Запам'ятай: 1 м² = 10⁴ см², тому діли кількість см² на 10 000.
Чому потік через рамку, що обертається, змінюється періодично?
Коли рамка обертається рівномірно в однорідному магнітному полі, кут α між вектором індукції та нормаллю змінюється з часом за законом α = ωt, де ω — кутова швидкість. Тоді Φ = BS·cos(ωt). Функція cos(ωt) періодична з періодом T = 2π/ω, тому потік періодично змінюється від +BS до −BS. Саме цей принцип лежить в основі роботи генератора змінного струму.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Магнітний потік: Φ = BS·cos α, де α — кут між вектором індукції B⃗ і нормаллю n⃗ до контуру.
Одиниця вимірювання в СІ — вебер (Вб): 1 Вб = 1 Тл·м².
Максимальний потік: α = 0° (площина контуру перпендикулярна до ліній), Φ = BS.
Нульовий потік: α = 90° (площина контуру паралельна лініям), Φ = 0.
Від'ємний потік: α > 90°, cos α < 0.
Потік змінюється через зміну індукції B, площі контуру S або кута α.
Площу обов'язково переводь у м²: 1 м² = 10⁴ см².
Поворот рамки на 60° із положення α = 0° зменшує потік удвічі (cos 60° = 0,5).
Поворот на 180° змінює потік на ΔΦ = −2BS.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Перевірте себе на цьому юніті
Спробуйте ці 5 запитань — оберіть відповідь, щоб побачити, чи ви праві й чому. Приєднайтеся, щоб пройти повний тест юніту, який іде в глибину по цьому юніту.
1. За якого кута α між вектором магнітної індукції B⃗ і нормаллю до контуру магнітний потік через контур є максимальним?
2. Рамка розташована в однорідному магнітному полі перпендикулярно до ліній індукції. Як зміниться магнітний потік через рамку, якщо її повернути на 60°?
3. Площина контуру утворює кут 30° із лініями магнітної індукції. Чому дорівнює кут α між вектором індукції B⃗ і нормаллю до контуру?
4. У яких одиницях вимірюють магнітний потік у СІ?
5. Яка з перелічених дій НЕ змінює магнітний потік через замкнений контур в однорідному магнітному полі?
Це лише дрібка самоперевірки — повний тест юніту йде в глибину й використовує всі 9 запитань цього юніта і точно визначає, що вивчати.
Приєднатися, щоб пройти тест