Взяти участь
Поспішайте взяти участь в акції «Методичний тиждень 2.0».
Головний приз 500грн + безкоштовний вебінар.
До визначення переможців залишилось:
3
Дня
3
Години
16
Хвилин
30
Секунд
Предмети »
  • Всеосвіта
  • Бібліотека
  • Явище електромагнітної індукції. Закон електромагнітної індукції. Індуктивність. Енергія магнітного поля струму

Явище електромагнітної індукції. Закон електромагнітної індукції. Індуктивність. Енергія магнітного поля струму

Курс:«Активізація творчого потенціалу вчителів шляхом використання ігрових форм організації учнів на уроці»
Черниш Олена Степанівна
36 годин
1400 грн
290 грн
Свідоцтво про публікацію матеріала №DJ585644
За публікацію цієї методичної розробки Угорчук Володимир Васильович отримав(ла) свідоцтво №DJ585644
Завантажте Ваші авторські методичні розробки на сайт та миттєво отримайте персональне свідоцтво про публікацію від ЗМІ «Всеосвіта»
Перегляд
матеріалу
Отримати код

Тема 34. Явище електромагнітної індукції. Закон електромагнітної індукції. Індуктивність. Енергія магнітного поля струму.

Мета: познайомити студентів із явищем електромагнітної індукції; показати значення цього явища для фізики й техніки, дати студентам поняття про енергетичну характеристику індукційного електричного поля, познайомити учнів із однією з характеристик провідника індуктивністю;

Актуальність: вміння пояснювати фізичні явища, пізнавальна зацікавленість до предмета.

Міжпредметна інтеграція: математика.

План

1. Історія відкриття явища електромагнітної індукції.

2. Магнітний потік.

3. Демонстрація дослідів, на явище електромагнітної індукції.

4. Фізична суть явища електромагнітної індукції.

5. ЕРС індукції.

6. Закон електромагнітної індукції.

7. ЕРС індукції у провідниках, які рухаються.

8. Індуктивність - характеристика властивостей контуру зі струмом.

9. Одиниця індуктивності.

10. Енергія магнітного поля струму.

11. Розрахунок енергії магнітного поля.

Знати: Що таке електромагнітна індукція, магнітний потік, ЕРС індукції, закон електромагнітної індукції, індуктивність і одиниці вимірювання індуктивності, енергія магнітного поля струму.

Вміти: пояснити суть явища електромагнітної індукції, розвязувати задачі .

Ключові поняття: електромагнітна індукція, магнітний потік, ЕРС індукції, закон електромагнітної індукції, індуктивність, енергія магнітного поля струму.

1.Історія відкриття явища електромагнітної індукції.

Виявлена Ерстедом 1820 року дія електричного струму на магнітну стрілку показала, що електричні та магнітні явища, які вважалися до цього ізольованими, взаємозалежні. Однак дослід Ерстеда показав тільки один бік цього зв'язку — породження магнітного поля електричним струмом. Англійський фізик Майкл Фарадей, довідавшись про досліди Ерстеда, узявся до пошуків зв'язку магнітних явищ із електричними. Пошуки Фарадея тривали від 1821 до 1831 р. Він виявив неабияку винахідливість, наполегливість і завзятість, поки, нарешті, не одержав електричний струм за допомогою магнітного поля.

Час показав, яке велике значення мало відкриття Фарадея. Повторюючи слова Гельмгольца, можна з повним правом сказати: «Поки люди будуть користуватися благами електрики, вони будуть пам'ятати ім'я Фарадея».

2.Магнітний потік.

Виділимо в магнітному полі досить малу площадку . Тоді магнітним потоком через площадку називатиметься фізична величина, яка визначається добутком модуля вектора магнітної індукції однорідного магнітного поля на площу даної площадки: .

Якщо площадка не перпендикулярна до силових ліній магнітного поля, то

де — кут між напрямом вектора і нормаллю до площадки .

Магнітний потік наочно можна зобразити як величину, пропорційну числу ліній магнітної індукції, що пронизують поверхню площею .

3. Демонстрація дослідів з явищ електромагнітної індукції.

Під час вивчення явища електромагнітної індукції особливо важлива певна система демонстраційних дослідів. Виходячи з формули усі досліди можна умовно розділити на три групи:

а) досліди, у яких змінюється вектор магнітної індукції В ;

б) досліди, у яких змінюється площа контуру ;

в) досліди, у яких змінюється кут між напрямом вектора магнітної індукції та нормаллю до площадки.

4.Фізична суть явища електромагнітної індукції.

Ґрунтуючись на попередніх дослідах, можна підвести учнів до висновку: для збудження електричного струму в замкнутому контурі необхідно змінювати магнітний потік через цей контур.

Явище електромагнітної індукції полягає ось у чому: під час будь-якої зміни магнітного потоку, що пронизує контур провідника, в останньому виникають сторонні сили (дія яких характеризується електрорушійною силою індукції):

а) якщо контур провідника замкнутий, то в ньому виникає струм, який називається індукційним;

б) якщо контур розімкнутий, то на його кінцях виникає різниця потенціалів.

5. ЕРС індукції.

Досліди Фарадея показали, що сила індукційного струму Іі в провідному контурі пропорційна швидкості зміни магнітного потоку через поверхню, обмежену контуром.

Якщо за короткий час магнітний потік зміниться на , то швидкість зміни магнітного потоку дорівнюватиме . Тоді.

Індуковане електричне поле, як і електростатичне, характеризується напруженістю поля . Вона чисельно дорівнює силі, яка діє на одиничний позитивний заряд.

Але робота цієї сили, виконана вздовж замкнутого контуру у вихровому електричному полі, не дорівнює нулю. ЕРС індукції — робота вихрового електричного поля з переміщення одиничного позитивного заряду по розглянутому замкнутому контуру.

Таким чином, під час зміни магнітного потоку через поверхню, обмежену контуром, в останньому з'являються сторонні сили, дія яких характеризується ЕРС індукції.

.

Згідно із законом Ома для замкнутого кола опір провідника не залежить від зміни магнітного потоку. Отже, співвідношення справедливе тільки тому, що ЕРС індукції пропорційна .

6. Закон електромагнітної індукції.

Отже, під час зміни магнітного потоку через поверхню, обмежену контуром, у ньому на вільні заряди починають діяти сторонні сили, дія яких характеризується ЕРС індукції (енергетична характеристика індукційного електричного поля).

Закон електромагнітної індукції (закон Фарадея): ЕРС індукції дорівнює за модулем швидкості зміни магнітного потоку через площу контуру замкнутого провідника:

.

Цей закон формулюється саме для ЕРС, а не для індукційного струму і виражає суть явища, що не залежить від властивостей провідників. Для виникнення струму провідник має бути замкнутим, і сила струму залежить не тільки від швидкості зміни магнітного потоку, а й від опору провідника:

.

Якщо в змінне магнітне поле внести котушку, що складається з N витків, то ЕРС індукції буде в разів більша:

.

Магнітний потік вимірюється у веберах. З формули випливає, що , звідки = 1 Вб.

7. ЕРС індукції в провідниках, які рухаються.

Нехай провідник завдовжки рухається в однорідному магнітному полі з індукцією зі швидкістю в напрямі, перпендикулярному до цього провідника, так що На електрони в провіднику буде діяти сила Лоренца л, напрямлена в даному випадку вниз, Унаслідок дії цієї сили відбудеться перерозподіл електронів у провіднику. Його верхній кінець буде позитивно заряджений, а нижній — негативно. Отже, у провіднику виникає електростатичне поле, а між його кінцями — різниця потенціалів.

Для визначення величини різниці потенціалів, яка виникає, ми будемо виходити з того, що електрони в провіднику після здійснення їхнього перерозподілу будуть перебувати в рівновазі. Отже, рівнодійна сил, які діють на електрони, дорівнює нулю, або:

Звідки , або . Оскільки різниця потенціалів зв'язана з напруженістю електричного поля співвідношенням , дістаємо, що .

Оскільки провідник, який рухається, являє собою незамкнутий контур, то ЕРС дорівнює різниці потенціалів, тобто .

У випадку, коли кут між векторами дорівнює , .

Якщо такий провідник замкнути, то по колу пройде електричний струм. Таким чином, провідник, який рухається в магнітному полі, можна розглядати як своєрідне, джерело струму, що характеризується ЕРС індукції.

Приєднаємо до гальванометра провідник, який рухається в магнітному полі, тоді він покаже наявність у колі струму, напрям якого можна визначити за правилом правої руки:

якщо праву руку розмістити вздовж провідника так, щоб лінії магнітної індукції входили в долоню, а відігнутий великий палець показував напрям руху провідника, то витягнуті чотири пальці покажуть напрям струму в провіднику.

8. Індуктивність — характеристика властивостей контуру зі струмом.

Струм І, що протікає по будь-якому замкнутому контуру, створює магнітний потік Ф, що пронизує поверхню, обмежену цим провідником. Якщо провідник нерухомий і магнітні властивості середовища не змінюються, магнітний потік пропорційний силі струму: або , де — величина, що характеризує контур (наприклад котушку) і середовище, що його оточує (осердя).

За такого способу введення індуктивності її фізичний зміст визначається за виразом:

Індуктивність — це власна якість провідного контуру, зумовлена відношенням зміни потоку магнітної індукції, що пронизує контур, до зміни сили струму в ньому.

9. Одиниця індуктивності.

З останнього виразу випливає, що індуктивність чисельно дорівнює потоку магнітної індукції, який створюється силою струму в 1 А. Із цього ж виразу визначають і одиницю індуктивності − генрі, яка названа на честь Джозефа Генрі:

1 генрі це індуктивність такого провідника, в якому струм силою в 1 А створює магнітний потік у 1 Вб.

Для розв'язування задач із використанням формули

Можна дати й інше визначення індуктивності та одиниці її вимірювання.

При і дістаємо: . Таким чином, зі зростанням індуктивності зростає і ЕРС індукції.

Індуктивність провідника дорівнює 1 Гн, якщо в ньому під час зміни сили струму взавиникає ЕРС самоіндукції в 1 В.

10. Енергія магнітного поля струму.

У досліді з лампочкою під час розмикання вимикача вона на мить спалахує яскравим білим світлом. Звідки ж береться енергія, що поглинається лампочкою в момент її спалаху й перетворюється в ній на тепло та світло? Адже спалах відбувається тоді, коли вимикач уже розімкнуто. Отже, енергія не може братися від акумулятора. Спалах у лампочці відбувається під час зникнення струму в котушці, тобто під час зникнення магнітного доля цієї котушки. Таким чином, ми доходимо висновку, що енергія, яка поглинається лампочкою в момент розмикання вимикача, була раніше запасена у вигляді енергії магнітного поля котушки.

Таким чином, описане вище явище самоіндукції наочно показує, що магнітне поле має запас енергії. Ця енергія витрачається на створення магнітного поля, і її можна дістати назад під час зникнення поля.

11. Розрахунок енергії магнітного поля.

Отже, створення електричного струму в колі веде до утворення магнітного поля. Для створення електричного струму, а отже, його магнітного поля, необхідно виконати роботу проти сил вихрового електричного поля. Ця робота (згідно із законом збереження енергії) дорівнює енергії електричного струму, або енергії магнітного поля струму.

Отже, енергія магнітного поля струму визначається виразом:

Література

1. Фізика. 10 кл.: підруч. для загальноосвіт. навч. закладів : рівень стандарту / Л. Е. Генденштейн, І. Ю. Ненашев.– Х. : Гімназія, 2010.

2. Фізика. Підруч. для 10 кл. серед. загальноосвіт. шк../ С. У. Гончаренко К.: Освіта, 2002.

3. А. П. Римкевич. Збірник задач з фізики. – К.: «Радянська школа», 1982.

4. Кирик Л. А. Усі уроки фізики. 11 клас. Рівень стандарту. - Х.: Вид. група Основа, 2011.

Питання для самоаналізу

1. Що характеризує вектор магнітної індукції В ?

2. Яку фізичну величину називають магнітним потоком?

3. У яких одиницях вимірюється магнітний потік?

4. У яких випадках у замкнутому провіднику, що перебуває у магнітному полі, виникає індукційний струм?

5. Що називається магнітним потоком?

6. Якими величинами характеризується індукційне електричне поле?

7. Чому закон електромагнітної індукції формулюється для ЕРС, а не для сили струму?

8. Чому дорівнює сила Лоренца і як вона напрямлена?

9. Як зменшити індуктивність котушки із залізним осердям за умови, що габарити обмотки (її довжина й поперечний переріз) залишаться незмінними?

10. Чи залежить індуктивність котушки від кількості витків і довжини проводу?

11. Чому живлення потужних електродвигунів вимикають плавно й повільно за допомогою реостатів?

Відображення документу є орієнтовним і призначене для ознайомлення із змістом, та може відрізнятися від вигляду завантаженого документу

Опис документу:
Явище електромагнітної індукції. Закон електромагнітної індукції. Індуктивність. Енергія магнітного поля струму
  • Додано
    01.03.2018
  • Розділ
    Фізика
  • Клас
    11 Клас
  • Тип
    Конспект
  • Переглядів
    1186
  • Коментарів
    0
  • Завантажень
    3
  • Номер матеріала
    DJ585644
  • Вподобань
    0
Курс:«Активізація творчого потенціалу вчителів шляхом використання ігрових форм організації учнів на уроці»
Черниш Олена Степанівна
36 годин
1400 грн
290 грн
Свідоцтво про публікацію матеріала №DJ585644
За публікацію цієї методичної розробки Угорчук Володимир Васильович отримав(ла) свідоцтво №DJ585644
Завантажте Ваші авторські методичні розробки на сайт та миттєво отримайте персональне свідоцтво про публікацію від ЗМІ «Всеосвіта»
Шкільна міжнародна дистанційна олімпіада «Всеосвiта Зима – 2018-2019»

Бажаєте дізнаватись більше цікавого?


Долучайтесь до спільноти

Схожі матеріали