Назови способы получения индукционного тока в контуре кратко
Обновлено: 07.07.2024
Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику
Зарегистрироваться 15–17 марта 2022 г.
Урок по физике в 11 классе на тему:
образовательные: познакомить учащихся с явлением электромагнитной индукции, воспроизвести опыты Фарадея, показать, что индукционный ток появляется при изменении магнитного потока, пронизывающего контур; вывести формулу и уяснить физический смысл закона электромагнитной индукции; сформулировать правило Ленца.
воспитательные: формировать навыки коллективной работы в сочетании с самостоятельностью учащихся, воспитывать познавательную потребность и интерес к предмету;
развивающие: развивать способность быстро воспринимать информацию и выполнять практические задания; развивать логическое мышление и внимание, умение анализировать, сопоставлять полученные результаты, делать соответствующие выводы.
История открытия явления электромагнитной индукции.
Демонстрация опытов Фарадея по электромагнитной индукции.
Причины возникновения индукционного тока.
Направление индукционного тока. Правило Ленца
Закон электромагнитной индукции.
Электромагнитная индукция в современной технике
Подведение итогов урока I . Постановка учебной задачи.
II . Реализация опорных знаний.
Для этого мы должны с вами ответить на некоторые вопросы.
Что такое электрический ток?
Что необходимо для существования электрического тока?
Чем создается магнитное поле?
Как можно обнаружить магнитное поле?
Какая величина характеризует магнитное поле в каждой точке?
В каких единицах измеряют магнитную индукцию?
Какая величина характеризует магнитное поле в определенной области пространства?
В каких единицах измеряют магнитный поток?
Чему равен 1 Вб?
От чего зависит магнитный поток, пронизывающий площадь плоского контура, помещенного в однородное магнитное поле?
Дополните следующие определения:
А) Сила Лоренца-это..
Б) Сила Ампера –это..
В) Температура Кюри-это..
Г) Магнитная проницаемость среды характеризует..
13. Напишите формулы для расчетов:
В) Модуля вектора магнитной индукции
Г) Магнитного потока
Д) магнитной проницаемости среды
14. Сила Ампера применяется..
15. Сила Лоренца используется..
III . Изучение нового материала
Итак, после обобщения знаний о магнитном поле и продолжим совершенствовать умения объяснять магнитные явления.
Сегодня на уроке мы откроем новое явление, которое принадлежит к числу самых замечательных научных достижений первой половины 19 века, которое вызвало появление и бурное развитие электротехники и радиотехники. Итак, вперёд за знаниями!
Последовательность изложения нового материала
История открытия явления электромагнитной индукции.
Демонстрация опытов Фарадея по электромагнитной индукции.
Причины возникновения индукционного тока.
Направление индукционного тока. Правило Ленца
Закон электромагнитной индукции.
Ранее в электродинамике изучались явления, связанные или обусловленные существованием постоянных во времени (статических и стационарных) электрических и магнитных полей. Появляются ли новые явления при наличии переменных полей?
История открытия явления электромагнитной индукции.
На экране портрет М. Фарадея (1791 - 1867).
Библиографические сведения: М. Фарадей
Демонстрация опытов Фарадея по электромагнитной индукции, анализ опытов
Опыт 1. Внесение (вынесение) полосового магнита из замкнутого контура, соединенного с гальванометром.
Опыт 2. При замыкании (размыкании ключа), перемещении движка реостата, происходит изменение магнитного поля, пронизывающего катушку, в ней возникает ток.
Ток, который возникает в катушке, когда относительно нее движется постоянный магнит, назвали индукционным. Этот ток в катушке индуцируется, т. е. наводится движущимся магнитом. .Магнитное поле, которое не меняется индукционного тока не создает.
Опыт 3. Поворот рамки в магнитном поле.
Индукционный ток в контуре возникает тогда и только тогда, когда проводник пересекает силовые линии магнитного поля.
Индукционный ток.
Мы рассмотрели способы получения индукционного тока:
движение магнита относительно катушки;
движение катушки относительно магнита;
замыкание и размыкание цепи;
вращение рамки внутри магнита;
перемещение бегунка реостата;
движение одной катушки относительно другой.
Причины возникновения индукционного тока:
только при изменении магнитного потока, пронизывающего охваченную проводником площадь (при движении магнита и катушки относительно друг друга);
за счёт изменения силы тока в цепи (при замыкании и размыкании цепи);
за счёт изменения ориентации контура по отношению к линиям магнитной индукции.
Вывод: Только переменное магнитное поле может создать ток (индукционный ток). Отклонение стрелки гальванометра указывает на наличие индукционного тока в цепи катушки. Как только движение прекращается, прекращается и ток.
Что же мы сегодня изучили? Явление. Какое? Явление возникновения индукционного тока в замкнутом контуре. Это и есть явление электромагнитной индукции. Условие его возникновения – изменение числа линий магнитной индукции через поверхность, ограниченную контуром.
Во всех случаях можно отметить, что электрический ток возникает при изменении магнитного поля , т.е при изменении числа силовых линий, пронизывающих катушку. Переходя на язык физических величин, общей причиной возникновения тока можно назвать изменение магнитного потока, пронизывающего контур. Дальнейшие количественные исследования подтвердили, что явление электромагнитной индукции – это возникновение тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока через контур. Возникающий при этом ток называют индукционным током.
Объясним причину возникновения индукционного тока
Индукционный ток возникает под действием электрического поля, создающегося за счет изменения магнитного поля. Как всякое электрическое поле, оно совершает работу по перемещению заряда в цепи. Электрическое поле, возникающее в процессе изменения магнитного поля, не связано каким-либо распределением электрических зарядов. Переменное магнитное поле неразрывно связано с этим электрическим полем, и поэтому говорят, что в этом случае мы имеем дело электромагнитным полем. Силовые линии электрического поля, связанного с переменным магнитным полем, не имеют начала и конца — они замкнуты наподобие силовых линий магнитного поля. Такое поле называется вихревым. Вихревое электрическое поле, возникающее в процессе электромагнитной индукции, создает электрический ток в замкнутом проводнике, следовательно, оно способно вызывать циркуляцию электрических зарядов. В связи с этим возникает необходимость введения специальной энергетической характеристики вихревого электрического поля: электродвижущей силы индукции (сокращенно — ЭДС индукции). Обозначается ЭДС индукции буквой ε i .Электродвижущей силой индукции называется отношение работы, совершаемой вихревым полем при перемещении электрического заряда по замкнутому контуру, к модулю перемещаемого заряда:
ЭДС индукции, как и напряжение, выражается в вольтах. По закону Ома для замкнутой цепи I i = ε i / R
где R — сопротивление всей замкнутой цепи. Опыты Фарадея показали, что сила индукционного тока Ii в проводящем контуре прямо пропорциональна скорости изменения числа линий магнитной индукции, пронизывающих поверхность, ограниченную этим контуром.
Опыт 4: внесение (вынесение) магнита в замкнутый контур сначала с одним магнитом, затем с двумя магнитами.
Вывод: величина тока зависит от величины магнитной индукции.
Если в катушку вносить один и тот же постоянный магнит (см. рис. 1), но с разной скоростью, то можно заметить, что при быстром движении магнита сила тока больше, чем при медленном.
Опыт 5: вносим магнит сначала медленно, затем быстро.
Вывод: величина тока зависит от скорости внесения магнита.
Поэтому сила индукционного тока пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром: I i ~∆Ф /∆ t
Так как R не зависит от ∆Ф то ЭДС индукции ε i ~∆Ф /∆ t
Таким образом, делаем вывод: ЭДС индукции пропорциональна скорости изменения магнитного поля, пронизывающего катушку.
Опыт 6. Зависимость ЭДС от числа витков в катушке.
Вывод: Сила индукционного тока, а следовательно, и ЭДС индукции пропорциональны числу витков вторичной катушки при одной и той же скорости изменения магнитного поля.
ε i ~ N ·∆Ф /∆ t
ЭДС индукции совпадает по направлению с индукционным током.
Таким образом, из проделанных опытов мы делаем вывод: ЭДС индукции пропорциональна скорости изменения магнитного поля, пронизывающего катушку, и числу витков на ней. Опыты Фарадея показали, что сила индукционного тока Ii в проводящем контуре прямо пропорциональна скорости изменения числа линий магнитной индукции, пронизывающих поверхность, ограниченную этим контуром.
Направление индукционного тока
Опыт 7: внесение (вынесение) магнита сначала северным полюсом, затем южным полюсом.
Вывод: направление тока зависит от направления магнитного поля.
Опыт 8. демонстрируют зависимость направления тока от замыкания или размыкания цепи первичной катушки.
Исследовав в 1831 году все важнейшие стороны электромагнитной индукции, Фарадей установил несколько правил для определения направления индукционного тока в различных случаях, однако общее правило ему найти не удалось. Оно было установлено позднее, в 1834 году петербургским академиком Эмилем Христиановичем Ленцем и носит поэтому его имя.
Правило Ленца.
Исследуя явление электромагнитной индукции, Э. X. Ленц в 1833 г. установил общее правило для определения направления индукционного тока: индукционный ток всегда имеет такое направление, чтобы своим магнитным полем препятствовать причине, вызвавшей этот ток.
Опыт 9. Демонстрация опыта Ленца. В установке, подносят магнит к сплошному кольцу. Видят: кольцо отталкивается от полюса магнита. Если же надеть кольцо на магнит и затем вытягивать магнит из него, то кольцо тянется за магнитом. Как видно, индуцируемый в кольце ток препятствует в первом случае приближению магнита, во втором — его удалению.
На основе подобных наблюдений русский учёный Э. Х. Ленц предложил следующее правило для определения направления тока, индуцируемого в проводнике: индукционный ток всегда направлен так, что его магнитное поле противодействует тому изменению магнитного поля, которое вызывает этот ток.
Направление индукционного тока определяют по правилу буравчика, по правилу правой руки.
Учитель: Для определения направления индукционного тока в замкнутом контуре используется правило Ленца: Индукционный ток имеет такое направление, что созданный им магнитный поток через поверхность, ограниченную контуром, препятствует изменению магнитного потока, вызвавшего этот ток.
Экспериментальная задача: в стальной сердечник трансформатора, подключенного к напряжению 220В (РНШ) вносят замкнутый контур с лампочкой. Почему загорается лампочка при этом?
6. Закон электромагнитной индукции
Мы установили, что Э.д.с. индукции в какой либо цепи прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока ∆ t – время, за которое происходит изменение магнитного потока. Знак минус показывает, что когда магнитный поток уменьшается (∆Ф – отриц.), э.д.с. создает индукционный ток, увеличивающий магнитный поток и наоборот. Закон электромагнитной индукции экспериментальным путём установил М. Фарадей. Немецкий физик и естествоиспытатель Г. Гельмгольц показал, что основной закон электромагнитной индукции ε i = – ∆Ф/∆ t является следствием закона сохранения энергии. ЭДС индукции в замкнутом контуре равна взятой с противоположным знаком скорости изменения магнитного потока, пронизывающего контур.
Выражение ε i = – ∆Ф/∆ t (1), называемое законом Фарадея, является универсальным: оно справедливо для всех случаев электромагнитной индукции. Для катушки с N закон электромагнитной индукции имеет вид:
ε i = – N · ∆Ф/∆ t , Ф= BS [Тл·м 2 Вб], 1 Вб= 1В·1с
Знак минус показывает, что ЭДС индукции Е i , направлена так, что магнитное поле индукционного тока препятствует изменению потока магнитной индукции ∆Ф. Если поток увеличивается (∆Ф > 0), то Е i i > 0 и направление потока и поля индукционного тока совпадают. Таким образом явление электромагнитной индукции заключается в появлении (наведении) в проводящем контуре, находящемся в магнитном поле, электродвижущей силы в случае изменения величины магнитного потока, проходящего через поверхность, ограниченную этим контуром. Выражение ε i = – N ·∆Ф/∆ t (1) представляет собой одну из математических записей закона электромагнитной индукции - ЭДС, наводимая в контуре электрической цепи, равна взятой с обратным знаком скорости изменения магнитного потока, проходящего через поверхность, ограниченную этим контуром.
7. Электромагнитная индукция в современной технике
Явление электромагнитной индукции лежит в основе работы индукционных генераторов электрического тока, на которые приходится практически вся вырабатываемая в мире электроэнергия.
Примеры использования явления электромагнитной индукции в современной технике:
специальные детекторы для обнаружения металлических предметов;
поезд на магнитной подушке;
электропечи для плавки металлов
бытовые микроволновые СВЧ – печи.
Великому английскому физику Майклу Фарадею потребовалось почти \(10\) лет, чтобы ответить в \(1831\) году на вопрос: как превратить магнетизм в электричество?
Электрический ток в замкнутом контуре, возникающий при изменении магнитного поля, называется индукционным .
Индукционный ток , так же как и ток от гальванического элемента или аккумулятора, представляет собой упорядоченное движение электронов .
Многочисленные опыты М. Фарадея привели к выводу, что индукционный ток в контуре, замкнутом на гальванометр, возникает при изменении :
На рисунке \(4\) представлен пример отсутствия появления индукционного тока при вращении магнита вокруг вертикальной оси.
В России электротехника развивалась интенсивно с поддержки Николая I. Развитие электротехники в Европе отозвалось открытиями и изобретениями в России.
В \(1833\) году русский учёный Эмилий Христианович Ленц доказал, что электрическая машина может работать как электродвигатель и как генератор электричества . Такое свойство назвали обратимостью электрических машин .
В \(1834\) году Борис Семёнович Якоби построил действующий "магнитный аппарат" вращательного движения — классический электродвигатель ; послал описание в Парижскую академию наук.
В \(1888\) году Михаил Осипович Доливо-Добровольский изобрёл трёхфазный генератор переменного тока, в \(1889\) году — электродвигатель переменного тока, в \(1890\) году — трансформатор трёхфазного тока. На Всемирной электротехнической выставке во Франкфурте-на-Майне (\(1891\)) представил изобретённую систему передачи трёхфазного тока на расстояние \(170\) км (рис. \(5\)).
Принцип работы индукционной плиты основан на явлении электромагнитной индукции. Индукционные токи при изменении магнитного поля возникают не только в проволочных контурах, но и в массивных образцах металла. Эти токи называют вихревыми токами, или токами Фуко. В массивных проводниках вследствие малости электрического сопротивления токи могут быть очень большими и вызывать значительное нагревание. Принцип работы индукционной плиты показан на рисунке. Под стеклокерамической поверхностью плиты находится катушка индуктивности, по которой протекает переменный электрический ток, создающий переменное магнитное поле. Частота тока составляет \(20\) –\(60\) кГц . В дне посуды наводятся токи индукции, которые нагревают его, а заодно и помещённые в посуду продукты. Нет никакой теплопередачи снизу вверх, от конфорки через стекло к посуде, а значит, нет и тепловых потерь. С точки зрения эффективности использования потребляемой электроэнергии индукционная плита выгодно отличается от всех других типов кухонных плит.
Электромагнитная индукция – явление возникновения тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего его.
Явление электромагнитной индукции было открыто М. Фарадеем.
- На одну непроводящую основу были намотаны две катушки: витки первой катушки были расположены между витками второй. Витки одной катушки были замкнуты на гальванометр, а второй – подключены к источнику тока. При замыкании ключа и протекании тока по второй катушке в первой возникал импульс тока. При размыкании ключа также наблюдался импульс тока, но ток через гальванометр тек в противоположном направлении.
- Первая катушка была подключена к источнику тока, вторая, подключенная к гальванометру, перемещалась относительно нее. При приближении или удалении катушки фиксировался ток.
- Катушка замкнута на гальванометр, а магнит движется – вдвигается (выдвигается) – относительно катушки.
Опыты показали, что индукционный ток возникает только при изменении линий магнитной индукции. Направление тока будет различно при увеличении числа линий и при их уменьшении.
Сила индукционного тока зависит от скорости изменения магнитного потока. Может изменяться само поле, или контур может перемещаться в неоднородном магнитном поле.
Объяснения возникновения индукционного тока
Ток в цепи может существовать, когда на свободные заряды действуют сторонние силы. Работа этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль замкнутого контура равна ЭДС. Значит, при изменении числа магнитных линий через поверхность, ограниченную контуром, в нем появляется ЭДС, которую называют ЭДС индукции.
Электроны в неподвижном проводнике могут приводиться в движение только электрическим полем. Это электрическое поле порождается изменяющимся во времени магнитным полем. Его называют вихревым электрическим полем. Представление о вихревом электрическом поле было введено в физику великим английским физиком Дж. Максвеллом в 1861 году.
Свойства вихревого электрического поля:
- источник – переменное магнитное поле;
- обнаруживается по действию на заряд;
- не является потенциальным;
- линии поля замкнутые.
Работа этого поля при перемещении единичного положительного заряда по замкнутому контуру равна ЭДС индукции в неподвижном проводнике.
Магнитный поток
Магнитным потоком через площадь \( S \) контура называют скалярную физическую величину, равную произведению модуля вектора магнитной индукции \( B \) , площади поверхности \( S \) , пронизываемой данным потоком, и косинуса угла \( \alpha \) между направлением вектора магнитной индукции и вектора нормали (перпендикуляра к плоскости данной поверхности):
Обозначение – \( \Phi \) , единица измерения в СИ – вебер (Вб).
Магнитный поток в 1 вебер создается однородным магнитным полем с индукцией 1 Тл через поверхность площадью 1 м 2 , расположенную перпендикулярно вектору магнитной индукции:
Магнитный поток можно наглядно представить как величину, пропорциональную числу магнитных линий, проходящих через данную площадь.
В зависимости от угла \( \alpha \) магнитный поток может быть положительным ( \( \alpha \) \( \alpha \) > 90°). Если \( \alpha \) = 90°, то магнитный поток равен 0.
Изменить магнитный поток можно меняя площадь контура, модуль индукции поля или расположение контура в магнитном поле (поворачивая его).
В случае неоднородного магнитного поля и неплоского контура магнитный поток находят как сумму магнитных потоков, пронизывающих площадь каждого из участков, на которые можно разбить данную поверхность.
Закон электромагнитной индукции Фарадея
Закон электромагнитной индукции (закон Фарадея):
ЭДС индукции в замкнутом контуре равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром:
Если контур состоит из \( N \) витков, то ЭДС индукции:
Сила индукционного тока в замкнутом проводящем контуре с сопротивлением \( R \) :
При движении проводника длиной \( l \) со скоростью \( v \) в постоянном однородном магнитном поле с индукцией \( \vec \) ЭДС электромагнитной индукции равна:
где \( \alpha \) – угол между векторами \( \vec \) и \( \vec \) .
Возникновение ЭДС индукции в движущемся в магнитном поле проводнике объясняется действием силы Лоренца на свободные заряды в движущихся проводниках. Сила Лоренца играет в этом случае роль сторонней силы.
Движущийся в магнитном поле проводник, по которому протекает индукционный ток, испытывает магнитное торможение. Полная работа силы Лоренца равна нулю.
Количество теплоты в контуре выделяется либо за счет работы внешней силы, которая поддерживает скорость проводника неизменной, либо за счет уменьшения кинетической энергии проводника.
Важно!
Изменение магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур, может происходить по двум причинам:
- магнитный поток изменяется вследствие перемещения контура или его частей в постоянном во времени магнитном поле. Это случай, когда проводники, а вместе с ними и свободные носители заряда, движутся в магнитном поле;
- вторая причина изменения магнитного потока, пронизывающего контур, – изменение во времени магнитного поля при неподвижном контуре. В этом случае возникновение ЭДС индукции уже нельзя объяснить действием силы Лоренца. Явление электромагнитной индукции в неподвижных проводниках, возникающее при изменении окружающего магнитного поля, также описывается формулой Фарадея.
Таким образом, явления индукции в движущихся и неподвижных проводниках протекают одинаково, но физическая причина возникновения индукционного тока оказывается в этих двух случаях различной:
- в случае движущихся проводников ЭДС индукции обусловлена силой Лоренца;
- в случае неподвижных проводников ЭДС индукции является следствием действия на свободные заряды вихревого электрического поля, возникающего при изменении магнитного поля.
Правило Ленца
Направление индукционного тока определяется по правилу Ленца: индукционный ток, возбуждаемый в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, всегда направлен так, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызывающего индукционный ток.
Алгоритм решения задач с использованием правила Ленца:
- определить направление линий магнитной индукции внешнего магнитного поля;
- выяснить, как изменяется магнитный поток;
- определить направление линий магнитной индукции магнитного поля индукционного тока: если магнитный поток уменьшается, то они сонаправлены с линиями внешнего магнитного поля; если магнитный поток увеличивается, – противоположно направлению линий магнитной индукции внешнего поля;
- по правилу буравчика, зная направление линий индукции магнитного поля индукционного тока, определить направление индукционного тока.
Правило Ленца имеет глубокий физический смысл – оно выражает закон сохранения энергии.
Самоиндукция
Самоиндукция – это явление возникновения ЭДС индукции в проводнике в результате изменения тока в нем.
При изменении силы тока в катушке происходит изменение магнитного потока, создаваемого этим током. Изменение магнитного потока, пронизывающего катушку, должно вызывать появление ЭДС индукции в катушке.
В соответствии с правилом Ленца ЭДС самоиндукции препятствует нарастанию силы тока при включении и убыванию силы тока при выключении цепи.
Это приводит к тому, что при замыкании цепи, в которой есть источник тока с постоянной ЭДС, сила тока устанавливается через некоторое время.
При отключении источника ток также не прекращается мгновенно. Возникающая при этом ЭДС самоиндукции может превышать ЭДС источника.
Явление самоиндукции можно наблюдать, собрав электрическую цепь из катушки с большой индуктивностью, резистора, двух одинаковых ламп накаливания и источника тока. Резистор должен иметь такое же электрическое сопротивление, как и провод катушки.
Опыт показывает, что при замыкании цепи электрическая лампа, включенная последовательно с катушкой, загорается несколько позже, чем лампа, включенная последовательно с резистором. Нарастанию тока в цепи катушки при замыкании препятствует ЭДС самоиндукции, возникающая при возрастании магнитного потока в катушке.
При отключении источника тока вспыхивают обе лампы. В этом случае ток в цепи поддерживается ЭДС самоиндукции, возникающей при убывании магнитного потока в катушке.
ЭДС самоиндукции \( \varepsilon_ \) , возникающая в катушке с индуктивностью \( L \) , по закону электромагнитной индукции равна:
ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна индуктивности катушки и скорости изменения силы тока в катушке.
Индуктивность
Электрический ток, проходящий по проводнику, создает вокруг него магнитное поле. Магнитный поток \( \Phi \) через контур из этого проводника пропорционален модулю индукции \( \vec \) магнитного поля внутри контура, а индукция магнитного поля, в свою очередь, пропорциональна силе тока в проводнике.
Следовательно, магнитный поток через контур прямо пропорционален силе тока в контуре:
Индуктивность – коэффициент пропорциональности \( L \) между силой тока \( I \) в контуре и магнитным потоком \( \Phi \) , создаваемым этим током:
Индуктивность зависит от размеров и формы проводника, от магнитных свойств среды, в которой находится проводник.
Единица индуктивности в СИ – генри (Гн). Индуктивность контура равна 1 генри, если при силе постоянного тока 1 ампер магнитный поток через контур равен 1 вебер:
Можно дать второе определение единицы индуктивности: элемент электрической цепи обладает индуктивностью в 1 Гн, если при равномерном изменении силы тока в цепи на 1 ампер за 1 с в нем возникает ЭДС самоиндукции 1 вольт.
Энергия магнитного поля
При отключении катушки индуктивности от источника тока лампа накаливания, включенная параллельно катушке, дает кратковременную вспышку. Ток в цепи возникает под действием ЭДС самоиндукции.
Источником энергии, выделяющейся при этом в электрической цепи, является магнитное поле катушки.
Для создания тока в контуре с индуктивностью необходимо совершить работу на преодоление ЭДС самоиндукции. Энергия магнитного поля тока вычисляется по формуле:
1. Внимательно прочитать условие задачи. Установить причины изменения магнитного потока, пронизывающего контур.
2. Записать формулу:
- закона электромагнитной индукции;
- ЭДС индукции в движущемся проводнике, если в задаче рассматривается поступательно движущийся проводник; если в задаче рассматривается электрическая цепь, содержащая источник тока, и возникающая на одном из участков ЭДС индукции, вызванная движением проводника в магнитном поле, то сначала нужно определить величину и направление ЭДС индукции. После этого задача решается по аналогии с задачами на расчет цепи постоянного тока с несколькими источниками.
3. Записать выражение для изменения магнитного потока и подставить в формулу закона электромагнитной индукции.
4. Записать математически все дополнительные условия (чаще всего это формулы закона Ома для полной цепи, силы Ампера или силы Лоренца, формулы кинематики и динамики).
.
1. перемещение магнита и катушки относительно друг друга;
2. перемещение одной катушки относительно другой;
3. изменение силы тока в одной из катушек;
4. замыкание и размыкание цепи;
5. перемещение сердечника;
Явление электромагнитной индукции
- возникновение электрического тока в замкнутом проводящем контуре, который либо покоится в переменном во времени магнитном поле, либо движется в постоянном магнитном поле так, что число линий магнитной индукции, пронизывающих контур, меняется. Чем быстрее меняется число линий магнитной индукции, тем больше индукционный ток.
МАГНИТНЫЙ ПОТОК
( или поток магнитной индукции)
Магнитным потоком через поверхность площадью S называют величину, равную произведению модуля вектора магнитной индукции В на площадь S и косинус угла между векторами В и n.
При изменении тока в электрической цепи возникает магнитное поле. Причиной этого является электромагнитная индукция. Это явление широко применяется на практике.
В статье рассказывается о том, что это такое, и каковы его основные закономерности.
Явление электромагнитной индукции
При изменении тока происходит образование магнитного поля. Это явление, в свою очередь, влияет на движение электронов.
Если рассматривать одиночный провод, расположенный прямо, то он будет создавать поле, направление силовых линий которого идёт по кругу в перпендикулярной ему плоскости.
Если в магнитном поле происходят изменения, то это увеличивает или ослабляет силу тока, который проходит по проводнику. Направление изменения зависит от того, как меняется поле. Это явление позволяет преобразовывать электрическую энергию в механическую или наоборот.
Учёный, которому принадлежит заслуга открытия взаимодействия электрического и магнитного полей — Майкл Фарадей.
Были проведены опыты, которые показали, что изменение магнитного поля способно порождать движение электронов. Это явление впоследствии назвали индукционным током.
Опыты, выполненные этим учёным, выглядят следующим образом:
Фарадей сделал катушку с полой серединой. Её концы соединил с гальванометром. Взял в руки магнит и поместил его внутрь катушки. Если его вдвигать или выдвигать, то на гальванометре отклоняется стрелка, доказывая наличие тока. Чем быстрее выполняемое движение, тем выше его сила. Аналогичный эффект будет достигнут, если магнит будет неподвижен, но будет перемещаться соленоид.
В следующем опыте были использованы две катушки. Большая подключена к гальванометру, а вторая - к источнику. Одна из катушек была настолько узкой, чтоб могла проходить внутрь второй. Если её поместить туда и несколько раз включить и выключить ток, то на гальванометре стрелка отклонится, показывая наличие тока.
Если взять два соленоида под током и один из них подвигать рядом с другим, то в них также возникнет движение электронов.
При проведении таких опытов более быстрое движение создаёт более сильное движение электронов.
Одновременно с Фарадеем аналогичные исследования осуществил Джозеф Генри, однако опубликовал свои результаты позже.
Объяснение явления
Движение носителей заряда — электронов происходит в том случае, когда на них действует электродвижущая сила, создаваемая разностью потенциалов.
Возникновение тока под действием изменения магнитного поля происходит из-за того, что оно создаёт такую силу, которая носит название ЭДС индукции. Хотя явление индуктивности было обнаружено Фарадеем, он не дал ему теоретического объяснения.
Теория электромагнитного поля в физике была создана Максвеллом в 1861 году. Этому явлению присущи такие черты:
источником движения электронов является переменное магнитное поле;
его наличие можно обнаружить по производимому воздействию на электрические заряды;
это поле не является потенциальным;
силовые линии поля представляют собой замкнутые кривые.
Работа магнитного поля выражается в создании электродвижущей силы для электронов.
Закон электромагнитной индукции Фарадея
Основной характеристикой магнитного поля является магнитный поток. Зрительно его можно представить, как силовые линии, пронизывающие перпендикулярную плоскую фигуру, ограниченную замкнутой линией. Эти линии выражают вектор магнитной индукции.
Произведение модуля этой величины на площадь для равномерного и однородного магнитного поля равно потоку поля через рассматриваемый контур.
При рассмотрении сложного поля, фигуру разбивают на небольшие участки, в которых поле равномерно и суммируют значения для каждого из них. Для вычисления в таких случаях используются методы дифференциального и интегрального исчисления.
Электромагнитная индукция измеряется в Тесла (Тл). Эта единица получила своё название в честь великого учёного-физика.
Закон Фарадея количественно описывает влияние магнитного поля на движение электронов. Он утверждает следующее: скорость изменения потока электромагнитного поля равна порождаемой им электродвижущей силе, воздействующей на электроны и создающей ток.
Нужно заметить, что когда магнитное поле порождается изменением силы тока, то возникающая электродвижущая сила воздействует на него противоположным образом. Это можно прояснить на таком примере.
Если рассматривается провод, и в нём увеличивается сила тока, то это создаёт магнитное поле. Оно, в свою очередь, создаёт ЭДС, которая препятствует увеличению.
Правило Ленца
Это правило даёт возможность правильно определить направление индукционного тока в различных ситуациях. Оно формулируется следующим образом: направление тока, порождённого индукцией, создаёт такое изменение магнитного потока, препятствующее изменению внешнего поля, благодаря которому оно возникло.
Это можно пояснить на следующем примере. Будет рассмотрена ситуация, когда внешнее магнитное поле со временем будет возрастать, а его силовые линии направлены вверх.
Это произойдёт, например, в той ситуации, когда снизу к контуру, расположенному горизонтально, будут приближать магнит так, чтобы его северный полюс был обращён вверх. В этом случае магнитный поток будет увеличиваться, создавая электродвижущую силу.
В контуре будет создан индукционный ток. Он будет таким, чтобы магнитные силовые линии были противоположными по отношению к тем, которые характеризуют первоначальное. Теперь можно определить направление индукционного тока в контуре.
Как известно, если смотреть со стороны создаваемого поля, то он будет направлен по часовой стрелке. То есть, если смотреть сверху, направление будет против неё.
На этом примере можно увидеть, как с помощью правила Ленца можно определить направление магнитного поля и индукционного тока.
Самоиндукция
В этом случае рассматривается ситуация, когда изменение движения электронов порождает ЭДС, вызывающий индукционный ток в этом же проводнике.
Взяв за основу правило Ленца, можно утверждать, что он имеет направление, противоположное первоначальному изменению.
Самоиндукция похожа на явление инерции. Тяжёлое тело невозможно остановить мгновенно. Также нельзя изменить силу тока за один миг до нужной величины из-за наличия явления самоиндукции.
Это свойство можно продемонстрировать следующим опытом. Нужно сделать две электрических цепи. В одной из них имеется источник и лампочка. Другая сделана аналогичным образом, но различие состоит в том, что в цепь добавлена катушка.
В первой цепи после включения лампочка загорается сразу. Во второй, учитывая наличие индуктивного элемента, это происходит с заметным опозданием.
После размыкания свет в первой лампочке отключается практически мгновенно, а во второй это происходит замедленно. Важно отметить, что в процессе выключения индукционный ток может превысить первоначальный. Поскольку в этой ситуации он направлен также, как и рабочий, то сила тока может возрасти. В некоторых цепях это может вызвать перегорание лампочки.
Индуктивность
Проводник, через который проходит изменяющийся ток, способен накапливать энергию путём использования магнитного поля. У прямолинейного отрезка провода эта способность имеет незначительную величину.
Магнитный поток в определённом контуре можно выразить посредством формулы Ф = L* I, а электродвижущую силу в виде E = L* (dI/dt).
Ток, проходящий через контур, способен создать электромагнитное поле, причём оно будет тем сильнее, чем быстрее будут происходить его изменения.
На практике для увеличения индуктивности катушки используют вставленные внутрь стержни из ферромагнетика.
Энергия магнитного поля
Электрический ток создаёт магнитное поле. При этом он затрачивает определённую энергию. Её величина равна той работе, которая была затрачена на создание поля. Она вычисляется по следующей формуле:
Здесь использовались такие обозначения:
W – энергия магнитного поля;
Если магнитное поле по какой-то причине пропадёт, то его энергия выделится в той или иной форме.
Применение электромагнитной индукции
Это явление активно применяется в различных сферах жизни человеческого общества.
Далее будут приведены несколько наиболее известных примеров:
радиовещание невозможно без использования явления электромагнитной индукции;
в медицине магнитотерапия является одним из эффективных методов лечения;
при фундаментальных исследованиях для разгона элементарных частиц применяются синхрофазотроны, работа которых основана на явлении индуктивности;
счётчики электричества, применяемые в быту для его учёта, используют рассматриваемое явление;
для того, чтобы передавать произведённую электростанциями электрическую энергию на большие расстояния, применяются трансформаторы, работа которых построена на использовании электромагнитной индукции;
в металлургии для плавки металла применяются индукционные печи.
Использование этого явления очень широко распространено. Приведённые примеры являются только частью различных вариантов использования.
Для того чтобы кратко освежить в памяти формулы, относящиеся к магнитной индукции, далее приводится перечень наиболее важных из них.
Открытие законов, которые описывают поведение электромагнитного поля, является одним из важнейших достижений науки за всю историю. В современной жизни использование этого явления происходит практически во всех областях жизни общества.
Читайте также: