ZAKON ELEKTROMAGNETSKE INDUKCIJE. LENZOVO PRAVILO
Godine 1831. engleski fizičar M. Faraday otkrio je fenomen u svojim pokusima. elektromagnetska indukcija. Zatim je ovaj fenomen proučavao ruski znanstvenik E.Kh. Lenz i B. S. Jacobi.
Trenutno se mnogi uređaji temelje na fenomenu elektromagnetske indukcije, na primjer u motoru ili generatoru električna struja, u transformatorima, radijima i mnogim drugim uređajima.
Elektromagnetska indukcija je pojava nastanka struje u zatvorenom vodiču pri prolasku kroz njega. magnetski tok.
Odnosno, zahvaljujući ovom fenomenu možemo se transformirati mehanička energija na električni. Prije otkrića ovog fenomena, ljudi nisu znali za druge metode proizvodnje električne struje osim galvanizacije.
Kad je dirigent pod utjecajem magnetsko polje, u njemu nastaje EMF, koji se može kvantitativno izraziti kroz zakon elektromagnetske indukcije.
Zakon elektromagnetske indukcije
Elektromotorna sila inducirana u vodljivom krugu jednaka je brzini promjene spoja magnetskog toka na taj krug.
U zavojnici koja ima nekoliko zavoja, ukupna emf ovisi o broju zavoja n:
EMF pobuđen u krugu stvara struju. Najviše jednostavan primjer Pojava struje u vodiču je zavojnica kroz koju prolazi trajni magnet. Smjer inducirane struje može se odrediti Lenzovim pravilom.
Lenzovo pravilo
Struja inducirana promjenom magnetskog polja koja prolazi kroz krug svojim magnetskim poljem sprječava tu promjenu.
U slučaju kada u zavojnicu uvedemo magnet, povećava se magnetski tok u strujnom krugu, što znači da je magnetsko polje stvoreno induciranom strujom, prema Lenzovom pravilu, usmjereno protiv porasta polja magneta. Da biste odredili smjer struje, morate pogledati magnet sa sjevernog pola. Iz tog položaja zavrtat ćemo glet u smjeru magnetskog polja struje, odnosno prema sjevernom polu. Struja će se kretati u smjeru vrtnje gimleta, odnosno u smjeru kazaljke na satu.
U slučaju kada maknemo magnet sa zavojnice, magnetski tok u strujnom krugu se smanjuje, što znači da je magnetsko polje koje stvara inducirana struja usmjereno protiv smanjenja polja magneta. Da biste odredili smjer struje, morate odvrnuti gimlet; smjer rotacije gimlet će pokazati smjer struje u vodiču - suprotno od kazaljke na satu.
Električni generator je uređaj u kojem se neelektrične vrste energije (mehanička, kemijska, toplinska) pretvaraju u električnu energiju.
Podjela elektromehaničkih generatora
Prema vrsti glavnog pokretača:
Turbogenerator - električni generator kojeg pokreće parna turbina ili plinskoturbinski motor;
Hidrogenerator - električni generator kojeg pokreće hidraulička turbina;
Diesel generator - električni generator kojeg pokreće dizel motor;
Vjetrogenerator - električni generator koji kinetičku energiju vjetra pretvara u električnu;
Prema vrsti izlazne električne struje
Trofazni generator sa zvjezdastim namotima
S uključenim trokutastim namotima
Prema načinu pobude
Pobuđen trajnim magnetima
S vanjskom pobudom
Samouzbuđen
Sa sekvencijalnom pobudom
S paralelnom pobudom
S pomiješanim uzbuđenjem
Prema principu rada generatori mogu biti sinkroni i asinkroni.
Asinkroni generatori su konstruktivno jednostavni i jeftini za proizvodnju te su otporniji na struje kratkog spoja i preopterećenja. Asinkroni električni generator idealan je za napajanje aktivnih opterećenja: žarulje sa žarnom niti, električni grijači, elektronika, električni plamenici itd. Ali čak i kratkotrajno preopterećenje za njih je neprihvatljivo, stoga, pri povezivanju elektromotora, neelektroničkih strojeva za zavarivanje, električnih alata i drugih induktivnih opterećenja, postoji rezerva snage treba biti najmanje tri puta, a po mogućnosti četiri puta.
Sinkroni generator je savršen za induktivne potrošače s visokim startnim strujama. Oni su sposobni izdržati peterostruko strujno preopterećenje u trajanju od jedne sekunde.
Princip rada generatora struje
Generator radi na temelju Faradayeva zakona elektromagnetske indukcije - elektromotorna sila (EMS) inducira se u pravokutnoj petlji (žičani okvir) koja rotira u jednoličnom magnetskom polju.
EMF se javlja iu stacionarnom pravokutnom okviru ako se u njemu rotira magnet.
Najjednostavniji generator je pravokutni okvir postavljen između 2 magneta s različitim polovima. Za uklanjanje napona s okretnog okvira koriste se klizni prstenovi.
Auto generator sastoji se od kućišta i dva poklopca s otvorima za ventilaciju. Rotor se okreće u 2 ležaja, a pokreće ga remenica. U svojoj jezgri, rotor je elektromagnet koji se sastoji od jednog namota. Struja se do njega dovodi pomoću dva bakrena prstena i grafitnih četkica, koje su spojene na elektronički relejni upravljač. On je odgovoran za to da napon koji daje generator bude uvijek unutar dopuštenih granica od 12 V s dopuštenim odstupanjima i da ne ovisi o brzini vrtnje remenice. Regulator releja može biti ugrađen u kućište generatora ili smješten izvan njega.
Stator se sastoji od tri bakrena namota međusobno spojena u trokut. Na njihove spojne točke spojen je ispravljački most od 6 poluvodičkih dioda koje pretvaraju napon iz izmjeničnog u istosmjerni.
Benzinski električni generator sastoji se od motora i generatora struje koji ga izravno pokreće, a koji može biti sinkroni ili asinkroni.
Motor je opremljen sustavima: pokretanje, ubrizgavanje goriva, hlađenje, podmazivanje, stabilizacija brzine. Vibracije i buku apsorbiraju prigušivač, prigušivači vibracija i amortizeri.
Izmjenična električna struja
Elektromagnetske vibracije, kao i mehaničke, postoje dvije vrste: slobodne i prisilne.
Slobodne elektromagnetske oscilacije, uvijek prigušene oscilacije. Stoga se u praksi gotovo nikada ne koriste. Dok se prisilne vibracije koriste posvuda i posvuda. Svaki dan ti i ja možemo promatrati ove fluktuacije.
Svi naši stanovi osvijetljeni su izmjeničnom strujom. Izmjenična struja nije ništa više od prisilnih elektromagnetskih oscilacija. Struja i napon će se tijekom vremena mijenjati prema harmonijskom zakonu. Fluktuacije, na primjer, u naponu mogu se detektirati primjenom napona iz utičnice na osciloskop.
Na zaslonu osciloskopa pojavit će se sinusni val. Frekvencija izmjenične struje može se izračunati. Bit će jednaka frekvenciji elektromagnetske vibracije. Pretpostavlja se da je standardna frekvencija za industrijsku izmjeničnu struju 50 Hz. Odnosno, u 1 sekundi smjer struje u utičnici se promijeni 50 puta. Američke industrijske mreže koriste frekvenciju od 60 Hz.
Promjena napona na krajevima kruga izazvat će promjenu jakosti struje u krugu titrajnog kruga. Treba ipak shvatiti da promjena električno polje ne događa se trenutno u cijelom lancu.
No budući da je to vrijeme znatno manje od perioda osciliranja napona na krajevima kruga, obično se vjeruje da se električno polje u krugu odmah mijenja kako se mijenja napon na krajevima kruga.
Izmjenični napon u utičnici stvaraju generatori u elektranama. Najjednostavniji generator može se smatrati žičanim okvirom koji rotira u jednoličnom magnetskom polju.
Magnetski tok koji prodire u krug stalno će se mijenjati i bit će proporcionalan kosinusu kuta između vektora magnetske indukcije i normale na okvir. Ako se okvir rotira jednoliko, kut će biti proporcionalan vremenu.
Posljedično, magnetski tok će se mijenjati prema harmonijskom zakonu:
F = B*S*cos(ω*t)
Brzina promjene magnetskog toka, uzeta sa suprotnim predznakom, prema EMR zakonu, bit će jednaka induciranoj emf.
Ei = -F’ = Em*sin(ω*t).
Ako je na okvir spojen oscilatorni krug, tada kutna brzina rotacija okvira će odrediti učestalost fluktuacija napona u različitim dijelovima kruga i jakost struje. U nastavku ćemo razmatrati samo prisilne elektromagnetske oscilacije.
Opisuju se sljedećim formulama:
u = Um*sin(ω*t),
u = Um*cos(ω*t)
Ovdje je Um amplituda kolebanja napona. Napon i struja mijenjaju se istom frekvencijom ω. Ali fluktuacije napona neće se uvijek podudarati s fluktuacijama struje, pa je bolje koristiti općenitiju formulu:
I = Im*sin(ω*t +φ), gdje je Im amplituda fluktuacija struje, a φ je fazni pomak između fluktuacija struje i napona.
Parametri izmjenične struje i napona
Veličina izmjenične struje, poput napona, stalno se mijenja tijekom vremena. Kvantitativni pokazatelji za mjerenja i izračune koriste sljedeće parametre:
Period T je vrijeme tijekom kojeg se odvija jedan potpuni ciklus promjene struje u oba smjera u odnosu na nulu ili prosječnu vrijednost.
Frekvencija f je recipročna vrijednost perioda, jednaka broju perioda u jednoj sekundi. Jedan period u sekundi je jedan herc (1 Hz)
f = 1/T
Ciklička frekvencija ω - kutna frekvencija jednaka broju perioda u 2π sekundi.
ω = 2πf = 2π/T
Obično se koristi u izračunima sinusne struje i napona. Tada se unutar razdoblja ne mogu razmatrati frekvencija i vrijeme, već se računaju u radijanima ili stupnjevima. T = 2π = 360°
Početna faza ψ je vrijednost kuta od nule (ωt = 0) do početka perioda. Mjereno u radijanima ili stupnjevima. Na slici je prikazan plavi grafikon sinusne struje. Početna faza može biti pozitivna ili negativna vrijednost, desno ili lijevo od nule na grafikonu.
Trenutna vrijednost - vrijednost napona ili struje izmjerena u odnosu na nulu u bilo kojem odabranom vremenu t.
i = i(t); u = u(t)
Slijed svih trenutnih vrijednosti u bilo kojem vremenskom intervalu može se smatrati funkcijom promjene struje ili napona tijekom vremena. Na primjer, sinusna struja ili napon mogu se izraziti funkcijom:
i = Iampsin(ωt); u = Uampsin(ωt)
Uzimajući u obzir početnu fazu:
i = Iampsin(ωt + ψ); u = Uampsin(ωt + ψ)
Ovdje su Iamp i Uamp vrijednosti amplitude struje i napona.
Vrijednost amplitude je najveća apsolutna trenutna vrijednost za razdoblje.
Iamp = max|i(t)|; Uamp = max|u(t)|
Može biti pozitivan ili negativan ovisno o položaju u odnosu na nulu. Često se umjesto vrijednosti amplitude koristi izraz strujna (naponska) amplituda – maksimalno odstupanje od nulte vrijednosti.
D/z
Izvještaj o temi (po izboru studenta)
Proizvodnja i prijenos električne energije
Transformator. Prijenos električne energije na daljinu
Ušteda energije u svakodnevnom životu Prvi pokusi prijenosa električne energije na daljinu Učinkovitost transformatora. Dizajn i rad Korištenje električne energijeTurbogenerator. Dizajn i rad
Hidrogenerator. Dizajn i rad
Dizelski generator. Dizajn i rad
Vjetrogenerator. Dizajn i rad
Problemi koje treba samostalno riješiti
Faradayev zakon EM indukcije.
1. Magnetski tok unutar zavojnice s brojem zavoja jednakim 400 promijenio se s 0,1 Wb na 0,9 Wb u 0,2 s. Odredite EMF induciranu u svitku.
2. Odredite magnetski tok koji prolazi kroz pravokutnu plohu sa stranicama 20x40 cm, ako se nalazi u jednoličnom magnetskom polju indukcije 5 Tesla pod kutom od 60° u odnosu na linije magnetske indukcije polja.
3. Koliko zavoja treba imati zavojnica da se pri promjeni magnetskog toka unutar nje od 0,024 do 0,056 Wb u 0,32 s u njoj stvori prosječna emf. 10 V?
EMF indukcije u pokretnim vodičima.
1. Odredite induciranu EMF na krajevima krila zrakoplova An-2 duljine 12,4 m, ako je brzina zrakoplova u horizontalnom letu 180 km/h, a vertikalna komponenta vektora indukcije Zemljino magnetsko polje je 0,5·10-4 T.
2. Nađite induciranu EMF na krilima zrakoplova Tu-204 duljine 42 m koji leti vodoravno brzinom 850 km/h ako je vertikalna komponenta vektora indukcije Zemljinog magnetskog polja 5· 10-5 T.
Samoinducirana emf
1. U zavojnici se javlja magnetski tok od 0,015 Wb kada kroz njezine zavoje prođe struja od 5,0 A. Koliko zavoja ima zavojnica ako je njezin induktivitet 60 mH?
2. Koliko će se puta promijeniti induktivitet zavojnice bez jezgre ako se broj zavoja u njoj udvostruči?
3. Što je e.m.f. doći će do samoindukcije u svitku induktiviteta 68 mH ako u njemu nestane struje od 3,8 A za 0,012 s?
4. Odredite induktivitet svitka ako se pri oslabljenju struje u njemu za 2,8 A u svitku pojavi prosječna emf za 62 ms. samoindukcija 14 V.
5. Koliko je vremena potrebno u svitku induktiviteta 240 mH da se struja poveća od nule do 11,4 A, ako se pojavi prosječna emf? samoindukcija 30 V?
Energija elektromagnetskog polja
1. Zavojnicom induktiviteta 0,6 H teče struja jakosti 20 A. Kolika je energija magnetskog polja zavojnice? Kako će se ta energija promijeniti kada se struja poveća za faktor 2? 3 puta?
2. Kolika struja mora proći kroz namot prigušnice induktiviteta 0,5 H da energija polja bude jednaka 100 J?
3. Energija magnetskog polja koje je zavojnice veća i za koliko puta, ako prva ima karakteristike: I1=10A, L1=20 H, druga: I2=20A, L2=10 H?
4. Odredite energiju magnetskog polja zavojnice u kojoj je pri jakosti struje od 7,5 A magnetski tok 2,3·10-3 Wb. Broj zavoja u zavojnici je 120.
5. Odredite induktivitet svitka ako pri jakosti struje od 6,2 A njegovo magnetsko polje ima energiju 0,32 J.
6. Magnetsko polje zavojnice induktiviteta 95 mH ima energiju 0,19 J. Kolika je jakost struje u zavojnici?
U ovoj lekciji, čija je tema: “Lenzovo pravilo. Zakon elektromagnetske indukcije”, saznajemo opće pravilo, omogućujući vam određivanje smjera indukcijske struje u krugu, koji je 1833. godine uspostavio E.X. Lenz. Razmotrit ćemo i pokus s aluminijskim prstenovima, koji jasno pokazuje ovo pravilo, te formulirati zakon elektromagnetske indukcije
Približavanjem ili udaljavanjem magneta od čvrstog prstena mijenjamo magnetski tok koji prodire u područje prstena. Prema teoriji fenomena elektromagnetske indukcije, u prstenu bi trebala nastati induktivna električna struja. Iz Ampereovih pokusa poznato je da tamo gdje prolazi struja nastaje magnetsko polje. Posljedično, zatvoreni prsten počinje se ponašati kao magnet. Odnosno, postoji međudjelovanje između dva magneta (stalni magnet koji pomičemo i zatvoreni strujni krug).
Budući da sustav nije reagirao na približavanje magneta prstenu s rezom, možemo zaključiti da inducirana struja ne nastaje u otvorenom krugu.
Razlozi odbijanja ili privlačenja prstena prema magnetu
1. Kada se magnet približi
Kako se pol magneta približava, prsten se od njega odbija. Odnosno, ponaša se kao magnet koji s naše strane ima isti pol kao magnet koji se približava. Ako približimo sjeverni pol magneta, tada je vektor magnetske indukcije prstena s induciranom strujom usmjeren u suprotnom smjeru u odnosu na vektor magnetske indukcije sjevernog pola magneta (vidi sliku 2).
Riža. 2. Približavanje magneta prstenu
2. Prilikom skidanja magneta s prstena
Kada se magnet ukloni, prsten se povlači iza njega. Posljedično, na strani magneta koji se povlači, na prstenu se formira suprotni pol. Vektor magnetske indukcije prstena kojim teče struja usmjeren je u istom smjeru kao i vektor magnetske indukcije magneta koji se udaljava (vidi sliku 3).
Riža. 3. Uklanjanje magneta s prstena
Iz ovog pokusa možemo zaključiti da se, kada se magnet pomiče, prsten također ponaša kao magnet, čiji polaritet ovisi o tome hoće li se magnetski tok koji prodire kroz područje prstena povećati ili smanjiti. Ako se tok povećava, tada su vektori magnetske indukcije prstena i magneta suprotnog smjera. Ako magnetski tok kroz prsten opada s vremenom, tada se vektor indukcije magnetskog polja prstena poklapa u smjeru s vektorom indukcije magneta.
Smjer indukcijske struje u prstenu može se odrediti pravilom desna ruka. Usmjerite li palac desne ruke u smjeru vektora magnetske indukcije, tada će četiri savijena prsta pokazati smjer struje u prstenu (vidi sliku 4).
Riža. 4. Pravilo desne ruke
Kada se mijenja magnetski tok koji prodire u krug, u krugu se pojavljuje inducirana struja u takvom smjeru da njezin magnetski tok kompenzira promjenu vanjskog magnetskog toka.
Ako vanjski magnetski tok raste, tada inducirana struja svojim magnetskim poljem nastoji usporiti taj porast. Ako se magnetski tok smanjuje, tada inducirana struja sa svojim magnetskim poljem nastoji usporiti to smanjenje.
Ovo svojstvo elektromagnetske indukcije izražava se znakom minus EMF formula indukcija.
Zakon elektromagnetske indukcije
Kada se vanjski magnetski tok koji prodire u krug promijeni, u krugu se pojavljuje inducirana struja. U ovom slučaju, vrijednost elektromotorne sile brojčano je jednaka brzini promjene magnetskog toka, uzetoj sa znakom "-".
Lenzovo pravilo je posljedica zakona održanja energije u elektromagnetskim pojavama.
Bibliografija
- Myakishev G.Ya. Fizika: Udžbenik. za 11. razred opće obrazovanje institucija. - M.: Obrazovanje, 2010.
- Kasyanov V.A. Fizika. 11. razred: Obrazovni. za opće obrazovanje institucija. - M.: Bustard, 2005.
- Gendenstein L.E., Dick Yu.I., Fizika 11. - M.: Mnemosyne.
Domaća zadaća
- Pitanja na kraju odlomka 10 (str. 33) - Myakishev G.Ya. Fizika 11 (vidi popis preporučene literature)
- Kako je formuliran zakon elektromagnetske indukcije?
- Zašto postoji znak “-” u formuli za zakon elektromagnetske indukcije?
- Internet portal Festival.1september.ru ().
- Internetski portal Physics.kgsu.ru ().
- Internetski portal Youtube.com ().
Fenomen elektromagnetske indukcije otkrio je izvanredni engleski fizičar M. Faraday 1831. godine. Sastoji se od pojave električne struje u zatvorenom vodljivom krugu kada se magnetski tok koji prodire u krug mijenja tijekom vremena.
Magnetski tok Φ kroz područje S kruga je veličina
Φ = B S cos α,
Gdje je B veličina vektora magnetske indukcije, α je kut između vektora i normale na konturnu ravninu (slika 4.20.1).
Slika 4.20.1.
Magnetski tok kroz zatvorenu petlju. Normalni smjer i odabrani pozitivni smjer obilaska konture povezani su pravilom desnog gimleta.
Definiciju magnetskog toka lako je generalizirati na slučaj nejednolikog magnetskog polja i neplanarnog kruga. SI jedinica magnetskog toka naziva se weber (Wb). Magnetski tok od 1 Wb stvara magnetsko polje s indukcijom od 1 T, prodirući u normalnom smjeru kroz ravnu konturu površine 1 m2:
1 Wb = 1 T · 1 m2.
Faraday je eksperimentalno utvrdio da kada se magnetski tok promijeni u vodljivom krugu, nastaje inducirana emf Eind, jednako brzini promjene magnetskog toka kroz površinu omeđenu konturom s predznakom minus:
Iskustvo pokazuje da je indukcijska struja koja se pobuđuje u zatvorenoj petlji pri promjeni magnetskog toka uvijek usmjerena tako da magnetsko polje koje ono stvara sprječava promjenu magnetskog toka koja uzrokuje indukcijsku struju. Ova se tvrdnja naziva Lenzovim pravilom (1833).
Riža. 4.20.2 ilustrira Lenzovo pravilo na primjeru stacionarnog vodljivog kruga koji je u jednoličnom magnetskom polju, čiji modul indukcije raste s vremenom.
Slika 4.20.2.
Ilustracija Lenzova pravila. U ovom primjeru, ind< 0. Индукционный ток Iинд течет навстречу выбранному положительному направлению обхода контура.
Lenzovo pravilo odražava eksperimentalnu činjenicu da ind i uvijek imaju suprotne predznake (predznak minus u Faradayevoj formuli). Lenzova vladavina ima duboke fizičko značenje– izražava zakon održanja energije.
Promjena magnetskog toka koji prodire kroz zatvoreni krug može se dogoditi iz dva razloga.
1. Magnetski tok se mijenja zbog gibanja kruga ili njegovih dijelova u vremenski konstantnom magnetskom polju. To je slučaj kada se vodiči, a s njima i slobodni nositelji naboja, gibaju u magnetskom polju. Pojava inducirane emf objašnjava se djelovanjem Lorentzove sile na slobodne naboje u vodičima koji se kreću. Lorentzova sila u ovom slučaju igra ulogu vanjske sile.
Razmotrimo, kao primjer, pojavu inducirane emf u pravokutnom krugu postavljenom u jednolično magnetsko polje okomito na ravninu kruga. Neka jedna od stranica konture duljine l klizi brzinom duž druge dvije stranice (sl. 4.20.3).
Slika 4.20.3.
Pojava inducirane EMF u vodiču koji se kreće. Označena je komponenta Lorentzove sile koja djeluje na slobodni elektron.
Lorentzova sila djeluje na slobodne naboje u ovom dijelu kruga. Jedna od komponenti te sile, povezana s brzinom prijenosa naboja, usmjerena je duž vodiča. Ova komponenta prikazana je na sl. 4.20.3. Ona igra ulogu vanjske sile. Njegov modul je jednak
Rad sile FL na putu l jednak je
A = FL · l = eυBl.
Prema definiciji EMF
U ostalim stacionarnim dijelovima kruga vanjska sila jednaka je nuli. Omjer za ind može se dati u uobičajenom obliku. Tijekom vremena Δt, površina konture se mijenja za ΔS = lυΔt. Promjena magnetskog toka za to vrijeme jednaka je ΔΦ = BlυΔt. Stoga,
Da bi se utvrdio predznak u formuli koja povezuje ind i potrebno je izabrati normalni smjer i pozitivni smjer obilaženja konture koji su međusobno konzistentni prema pravilu desnog gimleta, kao što je to učinjeno na sl. 4.20.1 i 4.20.2. Ako se to učini, lako je doći do Faradayeve formule.
Ako je otpor cijelog kruga jednak R, tada će kroz njega teći indukcijska struja jednaka Iind = ind/R. Tijekom vremena Δt, Jouleova toplina će se osloboditi na otporu R (vidi § 4.11)
Postavlja se pitanje odakle dolazi ta energija, jer Lorentzova sila ne radi! Ovaj paradoks je nastao jer smo uzeli u obzir rad samo jedne komponente Lorentzove sile. Kada indukcijska struja teče kroz vodič koji se nalazi u magnetskom polju, druga komponenta Lorentzove sile, povezana s relativna brzina kretanje naboja duž vodiča. Ova komponenta je odgovorna za pojavu Amperove sile. Za slučaj prikazan na sl. 4.20.3, modul amperove sile je FA = IBl. Amperova sila je usmjerena prema gibanju vodiča; stoga ona počini negativnu mehanički rad. Tijekom vremena Δt ovaj rad Amech je jednak
Vodič koji se kreće u magnetskom polju kroz koji teče inducirana struja doživljava magnetsko kočenje. Ukupni rad Lorentzove sile jednak je nuli. Joulova toplina u krugu se oslobađa ili uslijed rada vanjska sila, koji održava brzinu vodiča nepromijenjenom, ili smanjenjem kinetičke energije vodiča.
2. Drugi razlog za promjenu magnetskog toka koji prodire u krug je promjena vremena magnetskog polja kada krug miruje. U tom se slučaju pojava inducirane emf više ne može objasniti djelovanjem Lorentzove sile. Elektrone u nepomičnom vodiču može pokretati samo električno polje. Ovo električno polje generira vremenski promjenjivo magnetsko polje. Rad ovog polja pri pomicanju jednog pozitivnog naboja duž zatvorenog strujnog kruga jednak je induciranoj emf u nepomičnom vodiču. Stoga električno polje koje stvara promjenjivo magnetsko polje nije potencijalno. Naziva se vrtložnim električnim poljem. Pojam vrtložnog električnog polja u fiziku je uveo veliki engleski fizičar J. Maxwell (1861.).
Fenomen elektromagnetske indukcije u nepomičnim vodičima, koji nastaje pri promjeni okolnog magnetskog polja, također je opisan Faradayevom formulom. Dakle, pojave indukcije u pokretnim i nepokretnim vodičima odvijaju se na isti način, ali se fizički uzrok pojave inducirane struje u ova dva slučaja pokazuje različitim: u slučaju pokretnih vodiča, indukcijska EMF je posljedica Lorentzova sila; kod nepokretnih vodiča inducirana emf je posljedica djelovanja na slobodne naboje vrtložnog električnog polja koje nastaje pri promjeni magnetskog polja.
Svrha lekcije: formulirati pojam o indukcijskoj struji, razviti sposobnost određivanja smjera indukcijske struje pomoću Lenzova pravila.
Tijekom nastave
Provjera domaće zadaće
- Kako je M. Faraday otkrio fenomen elektromagnetske indukcije?
Prikaži Faradayeve pokuse otkrivanja elektromagnetske indukcije.
Izvedite zaključke i objasnite o kakvoj se pojavi radi – elektromagnetskoj indukciji?
Što određuje veličinu indukcijske struje u krugu?
Što je magnetski tok?
Nacrtajte na ploči i izvedite formulu za izračunavanje magnetskog toka.
Učenje novog gradiva
Ako je galvanometar spojen na zavojnicu u kojoj se može pojaviti inducirana struja, primijetit ćete da se igla skreće u različite strane ovisno o tome da li se magnet približava zavojnici ili se udaljava; Odstupanje igle galvanometra ovisi i o polu magneta.
To znači da indukcijska struja mijenja svoj smjer. Zavojnica u kojoj teče struja je poput magneta s južnim i Sjeverni pol. Možete predvidjeti kada će zavojnica privući magnet, a kada će ga odbiti.
Međudjelovanje magneta s indukcijskom strujom. 
Da bi se spojili magnet i zavojnica, mora se raditi. Budući da kada se magnet približi zavojnici, na najbližem kraju zavojnice pojavljuje se istoimeni pol, magnet i zavojnica se odbijaju. Ako bi se privlačili, tada bi se prekršio zakon održanja energije. Dokažite ovaj stav. Zaključak potvrdite uređajem prikazanim na slici. Možete jasno vidjeti kako će se magnet, kada se približi zatvorenom prstenu, odbiti od magneta. Kad se magnet skine s prstena, on počinje privlačiti magnet.
Odsječenom prstenu se ništa ne događa jer se u njemu ne stvara inducirana struja.
Hoće li magnet odbijati ili privlačiti zavojnicu ovisi o smjeru indukcijske struje.
Na temelju zakona održanja energije dobili smo pravilo koje nam omogućuje određivanje smjera indukcijske struje. 
Na prvoj slici vidimo da kako se magnet približava zavojnici, magnetski tok koji prodire kroz zavoje zavojnice raste, au drugom slučaju opada.
Na prvoj slici novonastali indukcijski vodovi izlaze iz gornjeg kraja svitka (zavojnica odbija magnet), na drugoj slici je obrnuto.
Lenzovo pravilo. Inducirana struja koja nastaje u zatvorenom krugu svojim magnetskim poljem suprotstavlja se promjeni magnetskog toka koja je uzrokuje.
Konsolidacija proučavanog materijala.
Kako odrediti smjer indukcijske struje?
Što će se dogoditi u prstenu kada se u njega umetne magnet, ako je prsten napravljen od: a) ne vodiča;
B) dirigent; c) supravodič?
Lekcija fizike u 11. razredu na temu:
„Elektromagnetska indukcija. Lenzovo pravilo"
Svrha lekcije:
obrazovni: upoznati učenike s fenomenom elektromagnetske indukcije, reproducirati Faradayeve pokuse, pokazati da se inducirana struja javlja kada se mijenja magnetski tok koji prolazi kroz krug; izvesti formulu i razumjeti fizikalno značenje zakona elektromagnetske indukcije; formulirati Lenzovo pravilo.
obrazovni: razvijati vještine timskog rada u kombinaciji sa samostalnošću učenika, njegovati kognitivne potrebe i interes za predmet;
razvoj: razvijati sposobnost brzog uočavanja informacija i provođenja praktičnih zadataka; razvijati logičko mišljenje i pažnju, sposobnost analize, usporedbe dobivenih rezultata i donošenja odgovarajućih zaključaka.
Plan učenja:
Indukcijska struja.
Elektromagnetska indukcija u Moderna tehnologija
Prikvačivanje teme: Laboratorijski rad"Elektromagnetska indukcija"
Sažimanje lekcije ja . Postavljanje zadatka učenja.
Obradili smo temu “Magnetsko polje”. Danas moramo saznati kako ste naučili ovaj materijal. Generalizirat ćemo svoja znanja o magnetskom polju i nastaviti usavršavati svoje vještine u objašnjavanju magnetskih pojava.
II. Implementacija referentnog znanja.
Da bismo to učinili, moramo odgovoriti na neka pitanja.
Što je električna struja?
Što je potrebno za postojanje električne struje?
Što stvara magnetsko polje?
Kako se može detektirati magnetsko polje?
Koja vrijednost karakterizira magnetsko polje u svakoj točki?
U kojim jedinicama se mjeri magnetska indukcija?
Čemu je jednako 1T?
Koja vrijednost karakterizira magnetsko polje u određenom području prostora?
U kojim jedinicama se mjeri magnetski tok?
Čemu je jednak 1 Wb?
Što određuje magnetski tok koji prodire u područje ravnog kruga smještenog u jednolično magnetsko polje?
Dopunite sljedeće definicije:
A) Lorentzova sila je...
B) Amperova sila je..
B) Curiejeva temperatura je...
D) Magnetska permeabilnost medija karakterizira..
13. Napišite formule za izračun:
A) Lorentzove sile
B) Amperove sile
B) Modul vektora magnetske indukcije
D) Magnetski tok
D) magnetska permeabilnost medija
14. Primijenjena je Amperova sila..
15. Koristi se Lorentzova sila..
III. Učenje novog gradiva
Dakle, nakon sažimanja znanja o magnetskom polju nastavit ćemo usavršavati svoje vještine u objašnjavanju magnetskih pojava.
Danas ćemo u razredu otkriti jedan novi fenomen, koji je jedan od najznačajnijih znanstvena dostignuća prve polovice 19. stoljeća, što je uvjetovalo nastanak i brz razvoj elektrotehnike i radiotehnike. Dakle, samo naprijed po znanje!
Tema lekcije je „Elektromagnetska indukcija. Lenzovo pravilo"
Redoslijed izlaganja novog gradiva
Povijest otkrića fenomena elektromagnetske indukcije.
Demonstracija Faradayevih pokusa elektromagnetske indukcije.
Indukcijska struja.
Uzroci indukcijske struje.
Smjer indukcijske struje. Lenzovo pravilo
Zakon elektromagnetske indukcije.
Laboratorijski rad "Elektromagnetska indukcija"
Prethodno su se u elektrodinamici proučavali fenomeni povezani ili uzrokovani postojanjem vremenski konstantnih (statičkih i stacionarnih) električnih i magnetskih polja. Pojavljuju li se novi fenomeni u prisutnosti promjenjivih polja?
Povijest otkrića fenomena elektromagnetske indukcije.
Na ekranu je portret M. Faradaya (1791. - 1867.).
Bibliografski podaci: M. Faraday
Demonstracija Faradayevih pokusa elektromagnetske indukcije, analiza pokusa
Iskustvo 1. Umetanje (vađenje) trakastog magneta iz zatvorenog kruga spojenog na galvanometar.
Iskustvo 2. Kada se ključ zatvori (otvori) ili se motor reostata pomakne, magnetsko polje koje prodire kroz zavojnicu se mijenja i u njemu nastaje struja.
Struja koja se javlja u zavojnici kada se stalni magnet pomiče u odnosu na nju naziva se indukcija. Ta je struja u zavojnici inducirana, odnosno inducirana pokretnim magnetom. .Magnetsko polje koje se ne mijenja ne stvara indukcijsku struju .
Iskustvo 3. Rotirajte okvir u magnetskom polju.
Inducirana struja u krugu nastaje ako i samo ako vodič siječe silnice magnetskog polja.
Indukcijska struja.
Pogledali smo načine za dobivanje indukcijske struje:
kretanje magneta u odnosu na zavojnicu;
kretanje zavojnice u odnosu na magnet;
zatvaranje i otvaranje kruga;
rotacija okvira unutar magneta;
pomicanje klizača reostata;
kretanje jedne zavojnice u odnosu na drugu.
Uzroci indukcijske struje:
samo kada se mijenja magnetski tok koji probija područje pokriveno vodičem (kada se magnet i zavojnica kreću relativno jedan prema drugom);
zbog promjena jakosti struje u krugu (prilikom zatvaranja i otvaranja kruga);
zbog promjene orijentacije kruga u odnosu na linije magnetske indukcije.
Zaključak: Samo izmjenično magnetsko polje može stvoriti struju (indukcijsku struju). Otklon igle galvanometra pokazuje prisutnost inducirane struje u krugu svitka. Čim kretanje prestane, struja prestaje.
Što smo danas naučili? Fenomen. Koji? Fenomen pojave indukcijske struje u zatvorenom krugu. To je fenomen elektromagnetske indukcije. Uvjet za njegovu pojavu je promjena broja linija magnetske indukcije kroz površinu omeđenu konturom.
U svim slučajevima može se primijetiti da se električna struja javlja kada se promijeni magnetsko polje, tj. kada se promijeni broj električni vodovi probijanje zavojnice. Prebacivanje na jezik fizikalne veličine, uobičajeni razlog za pojavu struje može se nazvati promjenom magnetskog toka koji prodire u krug. Daljnje kvantitativne studije su to potvrdile fenomen elektromagnetske indukcije je pojava struje u zatvorenom krugu kada se mijenja magnetski tok kroz krug. Struja koja nastaje zove se inducirana struja.
Objasnimo razlog nastanka indukcijske struje
Indukcijska struja nastaje pod utjecajem električnog polja koje nastaje promjenom magnetskog polja. Kao i svako električno polje, ono radi na premještanju naboja u krugu. Električno polje koje nastaje tijekom procesa promjene magnetskog polja nije povezano s nikakvom raspodjelom električnih naboja. Izmjenično magnetsko polje je neraskidivo povezano s ovim električnim poljem, pa kažu da se u ovom slučaju radi o elektromagnetsko polje. Linije električnog polja povezane s izmjeničnim magnetskim poljem nemaju početak i kraj - one su zatvorene poput linija magnetskog polja. Takvo polje se naziva vrtložno polje. Vrtložno električno polje koje nastaje tijekom procesa elektromagnetske indukcije stvara električnu struju u zatvorenom vodiču, stoga je sposobno izazvati kruženje električnih naboja. S tim u vezi, nameće se potreba za uvođenjem posebne energetske karakteristike vrtložnog električnog polja: elektromotorne sile indukcije (skraćeno EMF indukcije). EMF indukcije označava se slovom ε i. Elektromotorna sila indukcije je omjer izvršenog rada vrtložno polje prilikom kretanja električno punjenje duž zatvorenog kruga do prenosivog modula punjenja:
ε i =A vrtlog /q
EMF indukcije, kao i napon, izražava se u voltima. Prema Ohmovom zakonu za zatvoreni krug I i = ε i /R
gdje je R otpor cijelog zatvorenog kruga. Faradayevi pokusi pokazali su da je jakost inducirane struje I i u vodljivom krugu izravno proporcionalna brzini promjene broja linija magnetske indukcije koje prodiru kroz površinu omeđenu tim krugom.
Iskustvo 4: uvođenje (uklanjanje) magneta u zatvoreni krug, prvo s jednim magnetom, zatim s dva magneta.
Zaključak: veličina struje ovisi o veličini magnetske indukcije.
Uvedete li isti permanentni magnet u zavojnicu (vidi sliku 1), ali različitim brzinama, primijetit ćete da je kad se magnet kreće brzo, jačina struje veća nego kad se kreće sporo.
Iskustvo 5: Magnet uvodimo prvo polako, a zatim brzo.
Zaključak: Jačina struje ovisi o brzini kojom je magnet umetnut.
Stoga je jakost indukcijske struje proporcionalna brzini promjene magnetskog toka kroz površinu ograničenu konturom: I i ~ ∆F /∆ t
Budući da R ne ovisi o ∆F tada inducirana emf ε i ~ ∆F /∆ t
Dakle, zaključujemo: inducirana emf proporcionalna je brzini promjene magnetskog polja koje prodire kroz zavojnicu.
Iskustvo 6. Ovisnost EMF o broju zavoja u zavojnici.
Zaključak: Jakost inducirane struje, a time i inducirana emf, proporcionalna je broju zavoja sekundarne zavojnice pri istoj brzini promjene magnetskog polja.
ε i ~ N ·∆F /∆ t
Inducirana emf podudara se u smjeru s induciranom strujom.
Dakle, iz izvedenih eksperimenata zaključujemo: inducirana emf proporcionalna je brzini promjene magnetskog polja koje prodire kroz svitak i broju zavoja na njemu. Faradayevi pokusi pokazali su da je jakost inducirane struje I i u vodljivom krugu izravno proporcionalna brzini promjene broja linija magnetske indukcije koje prodiru kroz površinu omeđenu tim krugom.
Smjer indukcijske struje
Iskustvo 7: uvođenje (uklanjanje) magneta prvo sa sjevernim polom, zatim Južni pol.
Zaključak: Smjer struje ovisi o smjeru magnetskog polja.
Iskustvo 8. demonstrirati ovisnost smjera struje o zatvaranju ili otvaranju kruga primarnog svitka.
Nakon što je 1831. proučio sve najvažnije aspekte elektromagnetske indukcije, Faraday je uspostavio nekoliko pravila za određivanje smjera indukcijske struje u različitim slučajevima, ali nije uspio pronaći opće pravilo. Osnovao ju je kasnije, 1834. godine, peterburški akademik Emil Christianovich Lenz i stoga nosi njegovo ime.
Lenzovo pravilo.
Istražujući fenomen elektromagnetske indukcije, E. H. Lenz je 1833. godine utvrdio opće pravilo za određivanje smjera indukcijske struje: indukcijska struja uvijek ima takav smjer da svojim magnetskim poljem interferira s uzrokom koji je tu struju izazvao.
Iskustvo 9. Demonstracija Lenzova iskustva. U instalaciji, dovedite magnet do čvrstog prstena. Oni vide: prsten se odbija od pola magneta. Ako stavite prsten na magnet i zatim izvučete magnet iz njega, prsten se povlači za magnetom. Kao što se može vidjeti, struja inducirana u prstenu sprječava približavanje magneta u prvom slučaju, a njegovo uklanjanje u drugom slučaju.
Na temelju sličnih zapažanja, ruski znanstvenik E. H. Lenz predložio je sljedeće pravilo za određivanje smjera struje inducirane u vodiču: inducirana struja uvijek je usmjerena na takav način da njezino magnetsko polje djeluje suprotno promjeni magnetskog polja koja to uzrokuje. Trenutno.
Smjer indukcijske struje određen je pravilom gimleta, pravilom desne ruke.
Učitelj: Za određivanje smjera indukcijske struje u zatvorenom krugu koristi se Lenzovo pravilo: Inducirana struja ima takav smjer da magnetski tok koji stvara kroz površinu omeđenu konturom sprječava promjenu magnetskog toka koji je uzrokovao ovu struju.
Eksperimentalni zadatak: Zatvoreni krug sa žaruljom umetnut je u čeličnu jezgru transformatora spojenog na napon od 220V (RNSh). Zašto se pali svjetlo?
6. Zakon elektromagnetske indukcije
Utvrdili smo da je E.M.F. indukcija u bilo kojem krugu izravno je proporcionalna brzini promjene magnetskog toka ∆ t– vrijeme tijekom kojeg se mijenja magnetski tok. Znak minus pokazuje da kada se magnetski tok smanji ( ∆F– negativno), e.m.f. stvara indukcijsku struju koja povećava magnetski tok i obrnuto. Zakon elektromagnetske indukcije eksperimentalno je utvrdio M. Faraday. Njemački fizičar i prirodoslovac G. Helmholtz pokazao je da je osnovni zakon elektromagnetske indukcije ε ja = – ∆F/∆t je posljedica zakona održanja energije. Inducirana emf u zatvorenoj petlji jednaka je brzini promjene magnetskog toka koji prolazi kroz petlju, uzetom sa suprotnim predznakom.
Izraz ε ja = – ∆F/∆t (1) , nazvan Faradayev zakon, univerzalan je: vrijedi za sve slučajeve elektromagnetske indukcije. Za zavojnicu s N, zakon elektromagnetske indukcije ima oblik:
ε i = – N ∆F/∆t, F=BS [T m 2 V b], 1 Wb= 1V 1s
Predznak minus pokazuje da je inducirana emf E i usmjerena tako da magnetsko polje inducirane struje sprječava promjenu toka magnetske indukcije ∆F. Ako protok raste (∆F > 0), tada E i< 0 и поле индукционного тока направлено навстречу потоку. Если же поток уменьшается (∆Ф < 0), то Е i >0 i smjer toka i polja inducirane struje se podudaraju.Dakle elektromagnetski fenomen sastoji se u pojavi (vođenju) elektromotorne sile u vodljivom krugu koji se nalazi u magnetskom polju u slučaju promjene veličine magnetskog toka koji prolazi kroz površinu omeđenu tim krugom. Izraz ε ja = – N ·∆F/∆t(1) predstavlja jednu od matematičkih oznaka zakon elektromagnetske indukcije - EMF induciran u krugu strujni krug, jednaka je brzini promjene magnetskog toka koji prolazi kroz površinu ograničenu ovom konturom, uzetu sa suprotnim predznakom.
7. Elektromagnetska indukcija u suvremenoj tehnologiji
Fenomen elektromagnetske indukcije je temelj rada indukcijskih generatora električne struje, koji čine gotovo svu električnu energiju proizvedenu u svijetu.
Primjeri korištenja fenomena elektromagnetske indukcije u modernoj tehnologiji:
posebni detektori za otkrivanje metalnih predmeta;
magnetski levitacijski vlak;
električne peći za taljenje metala
mikrovalne mikrovalne pećnice za kućanstvo.
Učvršćivanje naučenog: Laboratorijski rad “Proučavanje fenomena elektromagnetske indukcije”
Sažimanje lekcije
9. Domaća zadaća: § 8-11.
