Тема: Явище електромагнітної індукції. Правило Ленца. Закон електромагнітної індукції. Самоіндукція. Індуктивність. Енергія магнітного поля струму. Змінний струм. Трансформатор.

Мета: навчальна: формувати вміння експериментально доводити наявність індукованого струму в провіднику, пояснювати механізм його виникнення; сформувати поняття магнітного потоку; вивчити закон електромагнітної індукції; розширити уявлення про явище електромагнітної індукції; роз’яснити сутність явища самоіндукції; ознайомити з будовою, принципом дії та призначенням транс­форматора;

розвивальна: розвивати мислення та увагу студентів; розвивати вміння працювати з підручником та додатковою літературою, порівнювати, аналізувати, узагальнювати, вибирати головне, робити висновки.

виховна: виховувати творчі здібності; виховувати інтерес до фізики.

План лекції

1. Явище електромагнітної індукції. Правило Ленца.

2. Закон електромагнітної індукції. Самоіндукція. Індуктивність.

3. Енергія магнітного поля струму.

4. Змінний струм. Трансформатор.

Рекомендована література

1. Бар'яхтар В. Г. Фізика. 11 клас. Академічний рівень. Профільний рівень: Підручник для загальноосвіт. навч. закл. /В. Г. Бар'яхтар, Ф. Я. Божинова, М. М. Кірюхін, О. О. Кірюхіна._- Х.: Видавництво «Ранок», 2011.- 320 с.: іл.

2. Гончаренко С. У. Фізика: Підруч. для 11 кл. серед, загальноосв. Шк- К.: Освіта, 2002. - 319 с.

3. Коршак Є.В. Фізика: 11 кл.: підруч. для загальноосвіт. навч. закл.: рівень стандарту / Є.В. Коршак, О.І. Ляпіенко, В.Ф. Савченко. - К. : Генеза, 2011. - 256 с.: іл.

4. Т.М.Засєкіна. Фізика: підручник для 11 кл. загальноосвіт. навч.закл. (академічний рівень, профільний рівень)/ Т.М.Засєкіна, Д.О.Засєкін. –Харків: Сиция, 2010. – 336с.

Явище виникнення електричного струму в замкнутому провіднику, який знаходиться в змінному магнітному полі, називаеться електромагнітною індукцією.

Д о клем гальванометра приєднаємо довгий провідник, частина якого закріплена в лапках штативів. Постійний підковоподіб-ний магніт спочатку наближатимемо до провідника, а потім віддалятимемо від нього. Побачимо, шо стрілка гальванометра при цьому відхилятиметься спочатку в один бік, а потім - у протилежний. Змінимо умови досліду. Закріпимо тепер підковоподібний магніт у лапках штатива, а провідник, приєднаний до клем гальванометра, вводитимемо в міжполюсний простір і виводитимемо з нього. Стрілка гальванометра також відхилятиметься спочатку в один, а потім - у протилежний бік. Електричний струм, який виникає в замкнутому провіднику в змінному магнітному полі, називають індукційним. На практиці напрям струму, який виникає в замкнутому колі внаслідок електромагнітної індукції, визначають за правилом правої руки: якщо праву руку розмістити в полі так, щоб лінії магнітної індукції входили в долоню, відставлений великий палець відповідав би напряму руху провідника, то витягнуті пальці руки вказуватимуть напрям індукційного струму в провіднику.

Правило Ленца. Уведемо в суцільне кільце тонку котушку з феромагнітним осердям (електромагніт), увімкнену в електричне коло із джерела струм у і вимикача. Якщо замкнути коло живлення електромагніта, то кільце, відш товхуючись від котушки , зміститься на певну відстань і поверне важіль на деякий кут. У момент появи струму в елекгромагніті замкнуте електропровідне кільце, яке знаходиться біля полюса електромагніта, завжди відштовхується від нього. Якщо дослід повторити, змінивши напрям струму в котушці, то спостерігатимемо такий самий ефект. Отже, визначальним у даному випадку є не напрям струму в котуш ці і, відповідно, ліній індукції магнітного поля, а зростання індукції магнітного поля.

Якщо дослід повторити з розрізаним кільцем, то подібного ефекту не спостерігатиметься. Це засвідчує, що відштовхування кільця пов’язане з індукційним струмом, який проходить в суцільному кільці.

Індукційний струм в замкнутому провіднику має такий напрям, що його магнітне поле компенсує зміну магнітного потоку, яка викликала цей струм.

Магнітний потік. Електромагнітну індукцію можна спостерігати в двох випадках: коли провідник рухається в однорідному магнітному полі або коли нерухомий провідник знаходиться в магнітному полі, індукція якого змінюється з часом. Фізична величина, яка одночасно залежить і від індукції магнітного поля, і від параметрів руху провідника називається магнітним потоком.

Магнітний потік залежить не лише від модуля магнітної індукції поля та площі контуру, а й від кута, який утворюють нормаль (перпендикуляр) до площини витка і вектор індукції магнітного поля. Тому значення магнітного потоку в загальному випадку записується як: Ф=B∙S∙cosα. де Ф - магнітний потік; В - модуль магнітної індукції поля; α - кут між нормаллю до площини контуру і індукцією магнітного поля.

Величина, що дорівнює добутку магнітної індукції на площу замкнутого контуру на косинус кута (між вектором індукції та нормаллю до контуру), називається магнітним потоком або потоком магнітної індукції.

Якщо індукція магнітного поля 1 Тл, а площа контуру, крізь який проходить магнітний потік, 1м², то магнітний потік дорівнює 1 веберу (1 Вб):

1Вб = 1Тл∙1 м²

Закон електромагнітної індукції: при зміні магнітного потоку в замкнутих провідниках виникає електричний струм, спричинений виникненням ЕРС індукції, яка пропорційна швидкості зміни магнітного потоку: або , де - електрорушійна сила індукції; - швидкість зміни магнітного потоку; k - коефіцієнт пропорційності. Для одиниць СІ коефіцієнт пропорційності дорівнює одиниці (k = 1). Узявши до уваги, що індукційний струм протидіє зміні магнітного потоку (правило Ленца), остаточно маємо: .Закон електромагнітної індукції інколи називають законом Фарадея.

Самоіндукція. Кожен провідник, у якому існує електричний струм, створює «власне» магнітне поле. Це поле утворюється, коли в провіднику починає проходити електричний струм. Якщо індукція магнітного поля перед замиканням кола дорівнювала нулю (В₀=0), то через деякий час після замикання вона матиме певне значення В, відмінне від нуля. Отже, момент появи електричного струму можна вважати моментом початку зміни магнітного потоку. А будь-яка зміна магнітно-появу вихрового електричного поля, яке спричинює появу ЕРС в усіх замкнутих провідниках, що знаходяться в цьому полі.

Не може бути винятком і провідник, який є «джерелом» цього поля. Вихрове електричне поле створює і в ньому самому ЕРС індукції , яку назвали самоіндукцією.

Магнітний потік, який створює провідник, в якому тече струм, прямо пропорційно залежить від сили струму в ньому: Ф ~ І. Увівши коефіцієнт пропорційності L, можна записати Ф=L∙ І. Цей коефіцієнт пропорційності характеризує електромагнітні властивості провідника чи котушки і називається індуктивністю. Індуктивність залежить від форми і розмірів провідника, а також магнітних властивостей середовища.

Якщо внаслідок зміни сили струму в провіднику на 1А за 1с у ньому індукується ЕРС самоіндукції 1В, то цей провідник має індуктивність 1Гн.

З мінний струм. Найпростішим способом отримання змінних струмів є обертання рамки з провідників в однорідному магнітному полі. Нехай у початковий момент часу рамка розташована так, шо напрямок нормалі п (перпендикуляра) до неї збігається з напрямом індукції магнітного поля В, в якому обертається рамка. Магнітний потік, який при цьому пронизує рамку, маємаксимальне значення: .

Рамка обертається рівномірно з кутовою швидкістю ω і кут повороту рамки у будь-який момент часу дорівнює .Можна легко пересвідчитися, що магнітний потік, шо пронизує рамку, змінюється за законом косинуса: .

Як відомо, у разі зміни магнітного потоку в контурі виникає електрору-шійна сила індукції: . Оскільки індукція магнітного поля В і плоша рамки S є незмінними величинами, а з математики відомо, шо (при ∆t→0), тo можна зробити висновок: за рівномірного обер-тання рамки в однорідному магнітному полі в ній виникає електрорушійна сила індукції, що змінюється за законом синуса.

О днією з важливих переваг змінного струму над постійним є те, що силу струму і напругу змінного струму можна перетворювати (трансформувати) без істотних втрат потужності. Для зменшення втрат електричної енергії в лініях електропередач напругу підвищують до десяти і сотень тисяч вольтів, що дає змогу при однаковій потужності відповідно зменшувати силу струму у проводах. Відповідно в місцях споживання енергії напругу знижують. Усі ці перетворення легко здійснюються за допомогою трансформаторів змінного струму.

Трансформатор як правило складається з двох обмоток, які мають єдине феромагнітне осердя. Одну з них приєднують до генератора (вона називається первинною), а споживачі (електродвигуни, лампи, нагрівники тощо) приєднуються до вторинної обмотки трансформатора.

Принцип дії трансформатора змінного струму ґрунтується на використанні явища електромагнітної індукції. Змінний струм, що проходить у колі первинної обмотки 1, наприклад з кількістю витків N₁, створює в осерді змінне магнітне поле. Воно у свою чергу індукує у вторинній обмотці трансформатора 2 з кількістю витків N₂ електрорушійну силу.

Оскільки обмотки трансформатора мають спільне змінне магнітне поле, то в кожному їх витку виникає електрорушійна сила, пропорційна кількості витків у них: . Якщо коло вторинної обмотки розімкнене, а до первинної

обмотки приєднане джерело змінного струму, то такий режим роботи трансформатора називають холостим ходом.

Напругу на обох обмотках трансформатора при холостому ходу можна вважати пропорційною кількостям витків у них: , де k - коефіцієнт трансформації.

Якщ о k > 1, то U₂ > U₁ і трансформатор називають підвищувальним; якщо k < І, то U₂ < U₁ напруга U₂ менша від U₁ і трансформатор є знижувальним.

Питання для самоконтролю.

1. Чому суцільне металеве кільце відштовхується від електромагніта в момент замикання кола живлення?

2. Чому суцільне металеве кільце притягується до електромагніта при розмиканні кола живлення?

3. Сформулюйте правило Ленца.

4. Яку фізичну величину називають магнітним потоком?

5. З якою метою введено поняття магнітного потоку?

6. Які одиниці магнітного потоку?

7. Від яких величин залежить магнітний потік?

8. Як формулюсться закон електромагнітної індукції?

9. Що означає знак «мінус» у математичному записі закону електромагнітної індукції?

10. Від чого залежить ЕРС самоіндукції?

11. У яких одиницях вимірюється індуктивність у Сі?

12. Які функції електричного трансформатора змінного струму?

13. З яких основних частин складається трансформатор?

14. Які обмотки трансформаторів вважають первинними і які вториними?

15. Що таке холостий і робочий хід трансформатора?