Энергия магнитного поля тока электромагнитное поле физика 11 класс презентация и конспект

Обновлено: 05.07.2024

Цели урока: формирование представления учащихся о магнитном поле и его свойствах.

Задачи урока:

образовательные : проследить исто­рию развития взглядов на природу магнетизма; повторить понятия магнитный полюс, маг­нитное поле, силовые линии магнитного поля; познакомиться с опытами Эрстеда и Ампера; со свойствами магнитного поля;

развивающие : развивать потребность изучать природу наблюдаемых явлений, умение объяснять и анализировать их, расширить кругозор учащихся;

воспитательные : формировать умения слушать собеседников..

Оборудование : источник питания, ключ, переменный резистор, амперметр, катушка на подставке, компас, соединительные провода.

Опыт: Вдеть нитку в одну из иголок и сложить два конца нитки вместе, чтобы иголка оказалась посередине. Связать два конца нитки в узелок. Приклеить связанные концы скотчем ко дну банки. Банка должна быть таких размеров, чтобы при вытянутой нитке кончик иголки не доставал до ее края примерно 2,5 см.

Проделать предыдущие шаги со второй иголкой и ниткой. Сделать из кусочка скотча петлю клейкой стороной наружу. Приклеить ее к крышке с внутренней стороны. Приклеить к этому свернутому скотчу плоский магнит и положи крышку на стол. Перевернуть банку кверху дном. Закрыть и завинтить крышку. Магнит должен притягивать иголки. Перевернуть банку крышкой вверх. Иголки все равно должны притягиваться к магниту. Если магнит недостаточно сильный, удлинить нитки настолько, чтобы магнитное поле смогло удержать иголки в вертикальном положении.

Демонстрация :

опыта Эрстеда, силовых линий магнитного поля постоянного магнита, магнитного поля прямого тока;

Ход урока

Организационный момент.

Вхождение в тему.

Вопрос : Почему так произошло? (Заслушиваются версии учащихся)

Объяснение фокуса: в основе этого фокуса лежит явление магнетизма. Магнит, прикрепленный к крышке банки, притягивает металл, из которого сделаны иголки. Только три металла притягиваются магнитом: железо, кобальт и никель. Иголки сделаны в основном из железа.
Вопрос: На какую тематику был выполнен фокус? В результате обсуждения приходим к выводу, что опыт был выполнен по теме магнитные явления

Изучение нового материала

В пространстве, окружающем намагниченные тела, возникает магнитное поле . Помещенная в это поле маленькая магнитная стрелка устанавливается в каждой его точке вполне определенным образом, указывая тем самым направление поля. Тот конец стрелки, который в магнитном поле Земли указывает на север, называется северным , а противоположный – южным .

В 1820 г. Эрстед обнаружил, что магнитное поле порождается электрическим током.

Эрстед также протестировал действие проводников из различных металлов на стрелку. Для этого взял проволоки из платины, золота, серебра, латуни, свинца, железа. Металлы, которые никогда не обнаруживали магнитных свойств, приобретали их, когда через них протекал электрический ток.

Демонстрация опыта Эрстеда.

Эксперимент 1. Расположим перед катушкой компас. Замкнем цепь и будем наблюдать за поведением компаса.

Вывод : вокруг проводника с током существует магнитное поле (магнитное поле действует на стрелку компаса, отклоняя ее).

Эксперимент 2 . Расположим перед катушкой компас так, чтобы расстояние между ними было 12 см. Замкнем электрическую цепь. В данном случае отклонение стрелки не наблюдается. При приближении катушки к компасу на расстояние 8 см, наблюдается отклонение стрелки (  30 0 С). Уменьшая расстояние, видим увеличение угла отклонения стрелки.

Вывод : Чем дальше от проводника током, тем слабее магнитное поле.

Опыт Ампера

Вопрос : как ведут себя проводники? ( Заслушиваются ответы учеников )

Если концы проводников замкнуть проволокой так, чтобы в проводниках возникли токи противоположного направления , то проводники начнут отталкиваться друг от друга. В случае токов одного направления проводники притягиваются . Взаимодействия между проводниками с током, называют магнитными .

Силы, с которыми проводники с током действуют друг на друга, называют магнитными силами.

Учитель . Магнитное поле – особый вид материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися зарядами.

Давайте рассмотрим свойства магнитного поля.

Свойства магнитного поля :

1) Магнитное поле порождается только движущимися электрическими зарядами, в частности электрическим током.

2) В отличие от электрического магнитное поле обнаруживается по его действию на движущиеся заряды.

3) Магнитное поле, как электрическое поле, материально, так как оно действует на тела, и следовательно, обладает энергией.

4) Магнитное поле обнаруживается по действию на магнитную стрелку.

Для графического изображения магнитного поля используют магнитные линии. Магнитные линии магнитного поля всегда замкнуты .

Цели : получение картинок силовых линий магнитного поля вокруг постоянных магнитов.

Положите лист картона на полосовой магнит и равномерно посыпьте его железными опилками. Не двигая магнит и картонку, осторожно постучите по картонке, чтобы опилки могли перемещать­ся. Обратите внимание, как выстроились опилки на листе. Сделайте рисунок в тетради. Получите картину магнитного поля двух полосовых магнитов, расположенных параллельно друг другу.

Вопрос : Что можно сказать о линиях магнитного поля?

Учитель . Еще раньше узнали, что магнит всегда имеет два полюса. Они были названы по имени частей света - северный полюс и южный полюс. В числе свойств магнита Гильберт указывал на то, что оди­наковые полюсы отталкиваются, а разноименные притягиваются.

Гильберт предполагал, что Земля представляет собой большой магнит. Чтобы подтвердить это предположение, ученый проделал специальный опыт. Он выточил из естественного магнита большой шар. Приближая к поверхности шара магнитную стрелку, он пока­зал, что она всегда устанавливается в определенном положении, так же как стрелка компаса на Земле.

Гильберт описал явление магнитной индукции, способы намаг­ничивания железа и стали и т. д. Книга Гильберта явилась первым научным исследованием магнитных явлений

В 1824 г. Араго открыл "магнетизм вращения" - действие вращающейся металлические пластинки на магнитную стрелку, установил связь между полярными сияниями и магнитными бурями.

Араго описывает также случай, когда молния, ударившаяся в дом, сильно намагнитила в нем стальные ножи, вилки и другие предметы.

В начале XVIII в. было установлено, что молния представляет собой электрический ток, идущий через воздух. Поэтому факты мог­ли подсказать, что всякий электрический ток обладает какими-то магнитными свойствами. Однако обнаружить это удалось только в 1820 г. Эрстеду.

В Средние века изучение магнитных явлений приобретает прак­тическое значение. Это происходит в связи с изобретением компаса.

Уже в XII в. в Европе стал известен компас как прибор, с помо­щью которого можно определить направление частей света. О ком­пасе европейцы узнали от арабов, которым было уже к этому време­ни известно свойство магнитной стрелки. Еще раньше, вероятно, такое свойство знали в Китае. Начиная е XII в. компас все шире применялся в морских путеше­ствиях для определения курса корабля в открытом море.

Практическое применение магнитных явлений приводило к необ­ходимости их изучения. Постепенно выяснялся целый ряд свойств магнитов.

Закрепление материала.

Решение задач:

№ 2. В книге одного из первых исследователей земного магнетизма Уильяма Гильберта описан следующий опыт: Если бить молотком по железной полосе, расположенной с севера на юг, то она намагнитится. Объясните это явление. Укажите, как будут расположены северный и южный полюсы на намагнитившейся таким образом полосе. Ответ: На конце полосы, обращённом к северу, возникнет северный полюс, а на другом конце южный.

№ 3. Можно ли на Луне ориентироваться с помощью магнитного компаса? Ответ: Нет. На Луне нет магнитного поля.

№ 4. Почему стальные оконные решётки с течением времени намагничиваются? Ответ: Намагничивание железных вертикальных предметов в магнитном поле Земли доказывает, что индукция этого поля имеет вертикальную составляющую.

Учитель . Изучение явлений – это достаточно долгий и тернистый путь – от гипотез, догадок, интуиции, наблюдений, через опыты к выводам. То есть источником физических знаний являются наблюдения и опыты.

1-я ступень – урок трудный, я совсем не уверен в своих силах, нужна помощь.

2-я ступень – урок трудный, я не со всем справился, нужна помощь.

3-я ступень – урок трудный, но я почти со всем справился, не нуждаюсь в помощи.

4-я ступень – урок не трудный, я справился почти со всем, помощь не нужна.

5-я ступень – урок не трудный, я уверен в своих силах, помощь не нужна

Домашнее задание § 1,2

Список использованной литературы:

Волков В.А. Универсальные поурочные разработки по физике: 11 класс. – М.: ВАКО, 2011

Мякишев Г.Я. Физика, 11 класс: учеб. для общеобразовательных учреждений: базовый и профильный уровни. – М.: Просвещение, 2012

  • Для учеников 1-11 классов и дошкольников
  • Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Конспект урока: Энергия магнитного поля тока. Электромагнитное поле.

Цель: ввести формулу для расчета энергии магнитного поля тока и понятие электромагнитного поля.

I .Организационный момент.

II . Актуализация знаний

В чем состоит сущность самоиндукции?

Что понимают под индуктивностью?

От чего зависит индуктивность катушки?

Чем создается электростатическое поле? Вихревое электрическое поле? Магнитное поле?

Какие поля называются вихревыми?

III . Изучение нового материала

1. Провести аналогию между самоиндукцией и инерцией (между процессом установления в цепи электрического тока величиной I и процессом приобретения некоторым телом определенной скорости υ).

При замыкании цепи с катушкой ток, постепенно нарастая, через некоторое время приобретает определенное значение I .

Автомобиль, трогаясь с места, постепенно набирает скорость и через некоторое время приобретает некоторую скорость υ.

Для того чтобы ток в цепи с индуктивностью при ее замыкании достиг некоторого значения, необходимо совершить работу.

Для разгона автомобиля до некоторой скорости необходимо совершить работу.

Нарастание силы тока I тем медленнее, чем больше (при прочих равных условиях) индуктивность катушки L .

Нарастание скорости υ тем медленнее, чем больше (при прочих равных условиях) масса автомобиля m .

2. Используя аналогию между самоиндукцией и инерцией получить формулу для энергии магнитного поля тока.

Из вышеизложенного можно сделать вывод, что при самоиндукции роль скорости играет сила тока в цепи, а роль меры инертности, т.е. массы – индуктивность.

Воспользуемся этим фактом для определения энергии W м, приобретаемой проводником при создании в нем тока I . Эта энергия подобна энергии Ек, приобретаемой телом, которому сообщена некоторая скорость υ.

Из второго закона Ньютона, как известно, следует, что

Такую же структуру, следовательно, должна иметь формула для энергии тока. Заменяя в последней формуле υ на I , m на L , получим

Именно такое выражение для энергии магнитного поля тока и получается в результате расчетов.

3. Обобщить знания учащихся об электрических и магнитных полях.

Обобщение знаний об электрических и магнитных полях можно провести, заполняя следующую таблицу.

Вокруг проводника с током существует магнитное поле, которое обладает энергией. Источник тока, включенный в электрическую цепь, обладает запасом энергии.

Похожие презентации

Презентация на тему: " Энергия магнитного поля тока" — Транскрипт:

2 Вокруг проводника с током существует магнитное поле, которое обладает энергией. Источник тока, включенный в электрическую цепь, обладает запасом энергии. В момент замыкания электрической цепи источник тока расходует часть своей энергии на преодоление действия возникающей ЭДС самоиндукции. Эта часть энергии, называемая собственной энергией тока, и идет на образование магнитного поля.

3 Энергия магнитного поля равна собственной энергии тока. Собственная энергия тока численно равна работе, которую должен совершить источник тока для преодоления ЭДС самоиндукции, чтобы создать ток в цепи. Энергия магнитного поля, созданного током, прямо пропорциональна квадрату силы тока. Куда пропадает энергия магнитного поля после прекращения тока? - выделяется (при размыкании цепи с достаточно большой силой тока возможно возникновение искры или дуги).

6 Максвелл составил четыре уравнения, два из которых имеют непосредственное отношение к физике средней школы. Для электромагнитного поля (в отсутствие проводников) они могут быть представлены так: Где Е - напряженность электрического поля на участке dl, Н – напряженность магнитного поля на участке dl, N – поток электрической индукции, Ф- поток магнитной индукции, t - время

7 Физическую сущность этих уравнений можно выразить следующими двумя положениями:

9 Замыкая на мгновение ключ К, мы посылаем ток от батареи в первое медное кольцо. Следующее кольцо, сделанное из железа, намагничивается. Возникновение в нем магнитного поля вызывая индукционный ток в третьем кольце. Этот ток вызовет магнитное поле в четвертом и т.д.

11 Электромагнитное поле материально. Физика знает две формы материи вещество (твердое, жидкое, газообразное) и поле (электромагнитное, гравитационное, внутриядерное). Скорость распространения электромагнитного поля, как теоретически установил Максвелл, равна скорости распространения света. Отсюда у Максвелла возникла идея, что и свет представляет собой электромагнитное поле. Электромагнитная теория света сме­нила предшествующую ей теорию Гюйгенса, которая рассматривала свет как колебание эфира.


Из данного урока мы узнаем, что такое электромагнитное поле. Научимся определять энергию магнитного поля прямолинейного проводника с током и магнитное поле соленоида. Узнаем, почему отдельное рассмотрение электрического и магнитного полей имеет только относительный смысл.


В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобретя в каталоге.

Получите невероятные возможности




Конспект урока "Электромагнитное поле"

«…Научная деятельность… единственное,

что переживает тебя и что на сотни и

В прошлых темах говорилось о том, что в замкнутом контуре возникает индукционный ток при изменении магнитного потока, пронизывающего поверхность, ограниченную контуром. Это явление получило название явления электромагнитной индукции.

Из опытов Фарадея было установлено, что среднее значение ЭДС индукции в проводящем контуре пропорционально скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром. Данное утверждение выражает закон электромагнитной индукции.

Явление возникновения ЭДС индукции полностью подчиняется закону сохранения энергии. Вокруг контура, по которому проходит электрический ток, всегда существует магнитное поле, причем магнитное поле возникает и исчезает вместе с возникновением и исчезновением тока.

Таким образом, согласно закону сохранения энергии, энергия магнитного поля, созданного током, равна той энергии, которую должен затратить источник тока (например, гальванический элемент или генератор на электростанции) на создание тока. При размыкании цепи эта энергия переходит в другие виды.

Естественно предположить, что энергия магнитного поля должна равняться работе, которая затрачивается током на создания этого поля. При этом она равна именно работе против сил ЭДС самоиндукции, возникающей при замыкании цепи.


Рассчитаем эту работу. Для этого рассмотрим простейшую схему. Подключим к источнику тока проводящий контур с индуктивностью L.


Если теперь, с помощью ключа, замкнуть цепь, то за некоторый небольшой промежуток времени Dt сила тока увеличится от нуля до некоторого значения I. Также при этом возрастет и магнитный поток от нуля до некоторого значения LI.


Мгновенному нарастанию силы тока в цепи будет препятствовать явление самоиндукции, возникающей в контуре.


Из курса физики 8 класса известно, что за некоторый промежуток времени через контур перенесется заряд, равный произведению силы тока на промежуток времени.


В рассматриваемом случае формула записана для равномерного возрастания силы тока в цепи. Если же ток в цепи будет нарастать не равномерно, то необходимо будет рассматривать малые промежутки времени, в течении которых можно считать скорость изменения силы тока постоянной.

При переносе заряда источник тока совершит работу, значение которой можно найти как произведение ЭДС самоиндукции, взятой с обратным знаком, и заряда, прошедшего через контур.


Подставив в полученную формулу, значение заряда и значение ЭДС самоиндукции, получим формулу для работы:


Значение этой работы, совершаемой источником тока против ЭДС самоиндукции, и будет равна энергии магнитного поля(вторая и третья часть формулы получены, путем выражения одной из величины из формулы для магнитного потока).


Вторая и третья часть формулы получены путем выражения одной из величин из формулы для магнитного потока.

Если магнитное поле создано током, проходящем в соленоиде, то энергию магнитного поля соленоида с токомможно рассчитать по формуле:


Согласно теории близкодействия, энергия магнитного поля (аналогично, как и энергия электрического поля) распределена по всему объему пространства, в котором существует магнитное поле.

Величину, равную энергии магнитного поля, заключенной в единичном объеме этого поля, будем называть объемной плотностью энергии магнитного поля. Ее можно рассчитать по формуле:


Если рассмотреть движущийся проводник в магнитном поле, то возникновение ЭДС индукции объясняется довольно просто. Все дело в том, что при движении проводника в магнитном поле, происходит перераспределение зарядов внутри проводника: положительные заряды накапливаются на одном конце проводника, отрицательные — на другом. И это перераспределение зарядов будет происходить до тех пор, пока электрическая сила не скомпенсирует силу Лоренца.


Если разложить вектор силы Лоренца на две составляющие: направленные вдоль проводника и перпендикулярно ему, то именно продольная составляющая и будет совершать работу по разделению электрических зарядов. Если такой проводник замкнуть, то по цепи пройдет индукционный ток.

Однако, если замкнутый проводник, находящийся в магнитном поле, неподвижен, то объяснить возникновение ЭДС индукции действием силы Лоренца нельзя, так как она действует только на движущиеся электрические заряды.

Однако, из курса физики 10 класса известно, что движение зарядов может происходить и под действием электрического поля. Значит, можно предположить, что электроны в неподвижном проводнике приводятся в движение электрическим полем, и это поле непосредственно порождается переменным магнитным полем. К этому выводу впервые пришел Джеймс Клерк Максвелл.


Электрическое поле, создаваемое переменным магнитным полем, было названо индуцированным электрическим полем. Оно создается в любой точке пространства, где имеется переменное магнитное поле, независимо от того, имеется ли там проводящий контур или нет. Контур позволяет лишь обнаружить возникающее электрическое поле. Тем самым Максвелл обобщил представления Фарадея о явлении электромагнитной индукции, показав, что именно в возникновении индуцированного электрического поля, вызванного изменением магнитного поля, состоит физический смысл явления электромагнитной индукции.

Индуцированное электрическое поле отличается от известных электростатического и стационарного электрический полей. Во-первых, оно вызвано не каким-то распределением зарядов, а переменным магнитным полем. Во-вторых, в отличии от линий напряженности электростатического и стационарного электрического полей, которые начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных зарядах, линии напряженности индуцированного поля — это замкнутые линии. Поэтому это поле — вихревое поле.


Как показали различные исследования, линии индукции магнитного поля и линии напряженности вихревого электрического поля расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях. Вихревое электрическое поле связано с наводящим его переменным магнитным полем правилом левого винта: если острие левого винта поступательно движется по направлению изменения вектора магнитной индукции, то поворот головки винта укажет направление линий напряженности индуцированного электрического поля.

В-третьих, индуцированное электрическое поле не является потенциальным. Разность потенциалов между любыми двумя точками проводника, по которому проходит индукционный ток, равна нулю. Работа же, совершаемая этим полем при перемещении заряда по замкнутой траектории, не равна нулю. Т.е., в этом случае, ЭДС индукции и есть работа индуцированного электрического поля по перемещению единичного заряда по рассматриваемому замкнутому контуру. Поэтому не потенциал, а именно ЭДС индукции является энергетической характеристикой индуцированного поля.

В середине 60-ых годов 19 века Джеймс Максвелл пришел к выводу о том, что наряду с процессом появления вихревого электрического поля при изменении магнитного поля, должен существовать и обратный процесс, состоящий в том, что переменное электрическое поле вызывает появление переменного магнитного поля, линии индукции которого охватывают линии напряженности переменного электрического поля и связаны с ним правилом правого винта.

Согласно гипотезе Максвелла магнитное поле, например, при зарядке конденсатора после замыкания ключа создается не только током в проводнике, но и изменяющимся электрическим полем, существующим в пространстве между обкладками конденсатора. Причем изменяющееся электрическое поле создает такое же магнитное поле, как если бы между обкладками существовал электрический ток, такой же, как и в проводнике.

Таким образом, Максвелл сделал вывод о том, что вихревое электрическое и магнитное поля "сцеплены" друг с дру­гом, существуют одновременно и взаимно порождают друг друга. Совокупность неразрывно связанных друг с другом вихревых электрического и магнитного полей называют электромагнитным полем.


Примечательно то, что Максвелл предсказал существование электромагнитного поля за 22 года до того, как оно было обнаружено экспериментально.

После открытия взаимосвязи между изменяющимися электрическим и магнитным полями стало ясно, что эти поля не существуют обособленно, независимо одно от другого. Т.е. нельзя создать переменное магнитное поле без того, чтобы одновременно в пространстве не возникло и электрическое поле. И наоборот, переменное электрическое поле не может существовать без магнитного.

Отдельное же рассмотрение электрического и магнитного полей имеет только относительный смысл. Так, если электростатическое поле создается системой неподвижных зарядов, то эти заряды, являясь неподвижными относительно одной инерциальной системы отсчета, могут двигаться относительно другой и, следовательно, будут порождать не только электрическое, но и магнитное поле. Аналогично, в системе отсчета связанной с магнитом, обнаруживается лишь магнитное поле. Но движущийся относительно магнита наблюдатель обнаружит и электрическое поле. Ведь в системе отсчета, движущейся относительно магнита, магнитное поле будет меняться с течением времени по мере приближения наблюдателя к магниту или удаления от него. А, как мы уже выяснили, переменное во времени магнитное поле порождает вихревое электрическое поле.

Таким образом, мы можем сделать вывод о том, что в природе существует единое электромагнитное поле, т.е. особый вид материи, посредством которой осуществляются электромагнитные взаимодействия в природе.

Задача: если бы можно было создать большие сверхпроводящие катушки без внешнего источника тока, индуктивностью, например, 100 Гн, то какое количество льда, взятого при температуре плавления, можно превратить в воду и нагреть до 100° С за счет энергии магнитного поля этой катушки, если сила тока в ней составляет 10 кА?


Основные выводы:

– Магнитное поле, на подобие электрического, обладает энергией, прямо пропорциональной квадрату силы тока.

– Гипотеза Максвелла: переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле. И, наоборот, в любой области пространства, где существует переменное магнитное поле, появляется вихревое электрическое поле.

– Электромагнитное поле — это особый вид материи, посредством которой осуществляются электромагнитные взаимодействия в природе.

Читайте также: