 |
Лекция 52. Открытие электромагнитной индукции. Закон электромагнитной индукции. Самоиндукция. Индуктивность. Энергия магнитного поля
|
|
|
|
Цель занятия: ознакомить студентов с явлением электромагнитной индукции.
Тип занятия: занятие изучения нового материала.
ПЛАН ЗАНЯТИЯ
| Демонстрации | 1. Явление электромагнитной индукции (3-4 опыты). 2. Фрагменты видеофильма «Явление электромагнитной индукции». |
| Изучение нового материала | 1. Опыты Фарадея. 2. Поток магнитной индукции. 3. Явление электромагнитной индукции. 4. Закон электромагнитной индукции. 5. Вихревое электрическое поле. 6. ЭДС индукции в движущихся проводниках. |
ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА
1. Опыты Фарадея
Английский физик Майкл Фарадей, узнав об опытах Эрстеда, занялся поисками связи магнитных явлений с электрическими. Он поставил перед собой задачу: «Если электрический ток создает магнитное поле, то нельзя ли с помощью магнитного поля получить электрический ток?» Поиски Фарадея продолжались с 1821 до 1831 года. Он провел значительную работу и проявил находчивость, настойчивость и упорство, пока, наконец, не получил электрический ток с помощью магнитного поля. Фарадей доказал, что магнитное поле может порождать электрический ток, открыв явление электромагнитной индукции. На этом явлении основана сегодня действие генераторов электрического тока на всех электростанциях Земли.
Можно провести ряд опытов, которые являются современными вариантами опытов Фарадея.
Опыт 1. Замыкаем катушку на гальванометр и вводим в нее постоянный магнит. Во время движения магнита стрелка гальванометра отклоняется, что свидетельствует о наличии электрического тока.
Если оставить магнит неподвижным, а двигать катушку, то электрический ток в катушке возникает только во время ее движения.
Опыт 2. Если взять две катушки и надеть их на общий сердечник, то в случае изменения силы тока в одной катушке в другой катушке можно наблюдать появление тока.
|
|
|
Опыт 3. Если вращать замкнутую катушку вблизи полюса магнита, то в катушке возникает электрический ток.
Опыт 4. Если разместить вблизи полюса магнита замкнутый контур и изменять его площадь, то в контуре возникает электрический ток.
2. Поток магнитной индукции
Проанализировав перечисленные выше опыты, можно заметить, что в замкнутом проводящем контуре ток возникает лишь тогда, когда меняется число линий магнитной индукции, пронизывающих поверхность, ограниченную контуром. Физическую величину, которую наглядно можно рассмотреть как величину, пропорциональную числу линий магнитной индукции, пронизывающих эту поверхность, называют потоком магнитной индукции (или магнитным потоком).
Ø Поток магнитной индукции Ф - это физическая величина, характеризующая распределение магнитного поля по поверхности, ограниченной замкнутым контуром, и численно равна произведению магнитной индукции B на площадь S поверхности и на косинус угла а между вектором магнитной индукции и нормалью к поверхности:
Ф = BScos 
.
Единица потока магнитной индукции в СИ - вебер:
1 Вб = 1 Тл · м2.
Магнитный поток 1 Вб создает однородное магнитное поле с индукцией 1 Тл через поверхность площадью 1 м2, расположенную перпендикулярно вектору магнитной индукции.
3. Явление электромагнитной индукции
Исходя из формулы Ф = BScos , все опыты можно условно разделить на три группы:
а) опыты, в которых изменяется индукция магнитного поля B;
б) опыты, в которых изменяется площадь контура S;
в) опыты, в которых изменяется угол между направлением вектора магнитной индукции и нормалью к площадке.
На основании выполненных исследований можно подвести студентов к выводу: для возбуждения электрического тока в замкнутом контуре необходимо изменять магнитный поток через этот контур.
|
|
|
Явление электромагнитной индукции заключается вот в чем:
Ø индукционный ток в замкнутом контуре возникает при изменении магнитного потока через площадь, ограниченную контуром.
Существуют две причины возникновения индукционного тока:
1) во время движения контура в магнитном поле;
2) во время нахождения недвижимого контура в переменном магнитном поле.
1. Закон электромагнитной индукции
Как известно, электрический ток существует в замкнутом контуре, если выполняются два условия: наличие свободных заряженных частиц и наличие электрического поля. Но в опытах Фарадея в кругу катушки, замкнутой на гальванометр, нет электрического поля, созданного электрическими зарядами (но ток есть!). Это может означать только одно: в случае изменения магнитного потока, пронизывающего проводящий контур, в контуре возникают посторонние (не кулоновские) силы, которые перемещают электрические заряды вдоль контура, выполняя при этом работу.
Работу сторонних сил (ACT) по перемещению единичного положительного заряда называют ЭДС индукции 
Эту величину можно измерить, используя закон Ома для полного круга, согласно которому 
где Iинд - сила индукционного тока, R - сопротивление контура. Опытным путем было установлено закон электромагнитной индукции:
Ø ЭДС индукции в замкнутом контуре равна модулю скорости изменения магнитного потока, пронизывающего этот контур: 
Для возникновения индукционного тока проводник должен быть замкнутым, при этом сила тока зависит не только от скорости изменения магнитного потока, но и от сопротивления проводника:
Для катушки, состоящей из N витков, помещенной в переменное магнитное поле, ЭДС индукции будет в N раз больше:
С учетом правила Ленца закон электромагнитной индукции записывается в виде 
Таким образом, ЭДС индукции в замкнутом контуре равна скорости изменения магнитного потока через этот контур, взятый с противоположным знаком.
2. Вихревое электрическое поле
Откуда же берутся посторонние силы, которые действуют на заряды в контуре? В случае неподвижного относительно наблюдателя проводника причина появления посторонних сил - переменное магнитное поле. Дело в том, что переменное магнитное поле порождает в окружающем пространстве электрическое поле - именно оно действует на свободные заряженные частицы в проводнике. Но порождение электрического поля магнитным полем происходит даже там, где нет ведущего контура и не возникает электрический ток. Как видим, магнитное поле может не только передавать магнитные взаимодействия, но и быть причиной появления другой формы материи - электрического поля.
|
|
|
Однако электрическое поле, порождаемое переменным магнитным полем, имеет существенное отличие от поля, созданного заряженными частицами.
Электрическое поле, создаваемое переменным магнитным полем, является вихревым, то есть его силовые линии являются замкнутыми.
Вихревое электрическое поле имеет некоторые особенности:
1) поле проявляет себя через силовое воздействие на заряженные частицы, поэтому основной характеристикой вихревого электрического поля является напряженность 
;
2) в отличие от электростатического поля, линии напряженности вихревого электрического поля являются замкнутыми. Направление этих линий можно определить с помощью, например, левой руки, как показано на рисунке:
3) в отличие от электростатического поля, работа вихревого электрического поля по замкнутой траектории не равна нулю (вихревое электрическое поле является непотетнциальним).
3. ЭДС индукции в движущихся проводниках
Рассмотрим проводник длиной l, движущегося поступательно в однородном магнитном поле с индукцией 
со скоростью 
, направленной под углом к линиям магнитной индукции поля.
На электроны, движущиеся вместе с проводником в магнитном поле, действует сила Лоренца, направленная вдоль проводника. Ее модуль
где q0 - заряд свободной заряженной частицы. Под действием этой силы происходит разделение зарядов - свободные заряженные частицы сместятся к одному концу проводника, а на другом конце возникнет их нехватка, то есть будет превышать заряд противоположного знака. Следовательно, в этом случае сторонняя сила - это сила Лоренца. Разделение зарядов приведет к появлению электрического поля, что будет препятствовать дальнейшему разделению зарядов. Этот процесс прекратится, когда сила Лоренца и сила 
= q0 уравновесят друг друга. Следовательно, внутри проводника напряженность электрического поля E = B 
sin , а разность потенциалов на концах проводника U = El = B lsin . Поскольку мы рассматриваем разомкнутое круг, разность потенциалов на концах проводника равна ЭДС индукции в этом проводнике. Таким образом,
|
|
|
Если такой проводник замкнуть, то по кругу пройдет электрический ток. Таким образом, движущийся в магнитном поле проводник можно рассматривать как своеобразный источник тока характеризуется ЭДС индукции.
Решение задач
1. С помощью гибких проводов прямолинейный проводник длиной 60 см присоединен к источнику постоянного тока с ЭДС 12 В и внутренним сопротивлением 0,5 Ом. Проводник движется в однородном магнитном поле индукцией 1,6 Тл со скоростью 12,5 м/с перпендикулярно к линиям магнитной индукции. Определите силу тока в проводнике, если сопротивление внешней цепи равно 2,5 Ом.
Решения. На заряды в проводнике действуют две силы: сила Лоренца и сила со стороны электрического поля источника тока. С учетом этого можно записать: 
Воспользовавшись законом Ома, можно найти силу тока в цепи:
В подвижном проводнике ЭДС индукции 
Окончательно имеем: 
Выясняем значение искомой величины:
Ответ: сила тока в проводнике 8 А.
2. Линии магнитной индукции однородного магнитного поля образуют угол 30° с вертикалью. Модуль вектора магнитной индукции равен 0,2 Тл. Какой магнитный поток пронизывает горизонтальное проволочное кольцо радиусом 10 см?
3. Проводник длиной 20 см движется в однородном магнитном поле индукцией 25 мТл перпендикулярно к линиям магнитной индукции. Найдите ЭДС индукции в проводнике, если скорость его движения 2 м/с.
4. Магнитный поток, пронизывающий проводящий контур сопротивлением 0,24 Ом, равномерно изменился на 0,6 Вб так, что ЭДС индукции оказалась равной 1,2 В. Определите время изменения магнитного потока и силу тока в проводнике.
5. Линии магнитной индукции однородного магнитного поля вертикальные. Магнитный поток через горизонтальный контур площадью 50 см2, если магнитной индукции 60 мТл?
6. Линии магнитной индукции однородного магнитного поля образуют угол 30° с вертикалью. Модуль магнитной индукции равен 0,2 Тл. Какой магнитный поток пронизывает горизонтальное проволочное кольцо радиусом 10 см?
Контрольные вопросы:
1. Почему в неподвижных проводниках, находящихся в переменном магнитном поле, возникает индукционный ток?
|
|
|
2. Какова причина возникновения индукционного тока при движении проводника в постоянном магнитном поле?
3. Какие особенности вихревого электрического поля?
4. Какова природа сторонних сил, которые обусловливают появление индукционного тока в неподвижном проводнике?
5. Почему закон электромагнитной индукции формулируют для ЭДС, а не для силы тока?
6. Какова природа ЭДС индукции в проводнике, движущемся в магнитном поле?
7. Почему от удара молнии иногда перегорают предохранители даже выключенного из розетки прибора?
8. Почему для обнаружения индукционного тока замкнутый проводник лучше брать в виде катушки, а не в виде прямолинейного провода?
9. Что общего во всех опытах, позволяющих выявить индукционный ток?
10. В чем заключаются различия в получении индукционного тока в опытах Фарадея?
11. Как нужно двигать магнит или катушку, чтобы в ней возник индукционный ток?
12. При движении магнита внутри катушки индукционный ток не возникает?
13. Может возникнуть индукционный ток в неподвижной замкнутой катушке без движения магнита? Подтвердите ваш ответ примером.
14. Замкнутое металлическое кольцо движется в однородном магнитном поле поступательно. Возникает ли индукционный ток в кольце? Почему?
Домашнее задание
1. Учебник-1: § 22; Учебник-2: § 12 (п. 3).
2. Сборник задач.:
Ур1 № 8.14; 8.15; 8.16; 8.17.
Ур2 № 8.34; 8.35; 8.42; 8.43.
Ур3 № 8.55, 8.56; 8.57; 8.58.
Список использованной литературы
1. Физика. 11 класс: учеб. для общеобразоват. учреждений: базовый и профил. уровни / Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, Н. Н. Сотский; под ред. В. И. Николаева, Н. А. Парфентьевой. — 19-е изд. — М.: Просвещение, 2010. — 366 с.: ил.
2. Марон А.Е., Марон Е.А. «Сборник задачорник качественных задач по физике 11 кл, М.: Просвещение,2006
3. Л.А. Кирик, Л.Э.Генденштейн, Ю.И.Дик. Методические материалы для преподавателя 10 класс,М.:Илекса, 2005.-304с:, 2005
4. Л.Э.Генденштейн, Ю.И.Дик. Физика 11 класс.-М.: Мнемозина,2010
|
|
|
