ЗАКОН ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ. ПРАВИЛО ЛЕНЦА
В 1831 году английский ученый-физик М.Фарадей в своих опытах открыл явление электромагнитной индукции. Затем изучением этого явления занимались русские ученый Э.Х. Ленц и Б.С.Якоби.
В настоящее время, в основе многих устройств лежит явление электромагнитной индукции, например в двигателе или генераторе электрического тока, в трансформаторах, радиоприемниках, и многих других устройствах.
Электромагнитная индукция - это явление возникновения тока в замкнутом проводнике, при прохождении через него магнитного потока.
То есть, благодаря этому явлению мы можем преобразовывать механическую энергию в электрическую. До открытия этого явления люди не знали о методах получения электрического тока, кроме гальваники.
Когда проводник оказывается под действием магнитного поля, в нем возникает ЭДС, которую количественно можно выразить через закон электромагнитной индукции.
Закон электромагнитной индукции
Электродвижущая сила, индуцируемая в проводящем контуре, равна скорости изменения магнитного потока, сцепляющегося с этим контуром.
В катушке, которая имеет несколько витков, общая ЭДС зависит от количества витков n:
ЭДС, возбуждаемая в контуре, создает ток. Наиболее простым примером появления тока в проводнике является катушка, через которую проходит постоянный магнит. Направление индуцируемого тока можно определить с помощью правила Ленца.
Правило Ленца
Ток, индуцируемый при изменении магнитного поля, проходящего через контур, своим магнитным полем препятствует этому изменению.
В том случае, когда мы вводим магнит в катушку, магнитный поток в контуре увеличивается, а значит магнитное поле, создаваемое индуцируемым током, по правилу Ленца, направлено против увеличения поля магнита. Чтобы определить направление тока, нужно посмотреть на магнит со стороны северного полюса. С этой позиции мы будем вкручивать буравчик по направлению магнитного поля тока, то есть навстречу северному полюсу. Ток будет двигаться по направлению вращения буравчика, то есть по часовой стрелке.
В том случае, когда мы выводим магнит из катушки, магнитный поток в контуре уменьшается, а значит магнитное поле, создаваемое индуцируемым током, направлено против уменьшения поля магнита. Чтобы определить направление тока, нужно выкручивать буравчик, направление вращения буравчика укажет направление тока в проводнике – против часовой стрелки.
Электрический генератор - это устройство, в котором неэлектрические виды энергии (механическая, химическая, тепловая) преобразуются в электрическую энергию.
Классификация электромеханических генераторов
По типу первичного двигателя:
Турбогенератор - электрический генератор, приводимый в движение паровой турбиной или газотурбинным двигателем;
Гидрогенератор - электрический генератор, приводимый в движение гидравлической турбиной;
Дизель-генератор - электрический генератор, приводимый в движение дизельным двигателем;
Ветрогенератор - электрический генератор, преобразующий в электричество кинетическую энергию ветра;
По виду выходного электрического тока
Трёхфазный генераторС включением обмоток звездой
С включением обмоток треугольником
По способу возбуждения
С возбуждением постоянными магнитами
С внешним возбуждением
С самовозбуждением
С последовательным возбуждением
С параллельным возбуждением
Со смешанным возбуждением
По принципу работы генераторы могут быть синхронными или асинхронными.
Асинхронные генераторы конструктивно просто устроены и недороги в изготовлении, более устойчивы к токам короткого замыкания и перегрузок. Асинхронный электрогенератор идеально подходит для питания активной нагрузки: ламп накаливания, электронагревателей, электроники, электрических конфорок и т. д. Но даже кратковременная перегрузка для них недопустима, поэтому при подключении электродвигателей, не электронного типа сварочного аппарата, электроинструмента и других индуктивных нагрузок - запас по мощности должен быть минимум трехкратным, а лучше четырехкратным.
Синхронный генератор прекрасно подойдет для индуктивных потребителей с высокими значениями пусковых токов. Они способны в течение одной секунды выдерживать пятикратную токовую перегрузку.
Принцип действия генератора тока
Генератор работает на основе закона электромагнитной индукции Фарадея - электродвижущая сила (ЭДС) индуцируется в прямоугольном контуре (проволочной рамке), вращающемся в однородном магнитном поле.
ЭДС также возникает в неподвижной прямоугольной рамке, если в ней вращать магнит.
Простейший генератор представляет собой прямоугольную рамку, размещенную между 2 магнитами с разными полюсами. Для того что бы снять с вращающейся рамки напряжение используются токосъемные кольца.
Автомобильный генератор состоит из корпуса и двух крышек с отверстиями для вентиляции. Ротор вращается в 2 подшипниках и приводится в движение при помощи шкива. По своей сути ротор является электромагнитом, состоящим из одной обмотки. Ток на нее подается при помощи двух медных колец и графитовых щеток, которые соединены с электронным реле-регулятором. Он отвечает за то, что бы выдаваемое напряжение генератором всегда было в допустимых пределах 12 Вольт с допустимыми отклонениями и не зависело от частоты вращения шкива. Реле-регулятор может быть как встроено в корпус генератора, так и находится за его пределами.
Статор состоит из трех медных обмоток, соединенных между собой в треугольник. К точкам их соединения подключен выпрямительный мост из 6 полупроводниковых диодов, которые преобразуют напряжение из переменного в постоянное.
Бензиновый электрогенератор состоит из двигателя и приводящего им в движение напрямую генератора тока, который может быть как синхронного, так и асинхронного типа.
Двигатель оснащен системами: запуска, впрыска топлива, охлаждения, смазки, стабилизации оборотов. Вибрацию и шум поглощают глушитель, виброгасители и амортизаторы.
Переменный электрический ток
Электромагнитные колебания, как и механические, бывают двух типов: свободные и вынужденные.
Свободные электромагнитные колебания, всегда колебания затухающие. Поэтому на практике они почти не используются. В то время как вынужденные колебания используются везде и повсеместно. Ежедневно мы с вами можем наблюдать эти колебания.
Все наши квартиры освещены с помощью переменного тока. Переменный ток есть не что иное, как вынужденные электромагнитные колебания. Сила тока и напряжение будут меняться с течением времени согласно гармоническому закону. Колебания, например, напряжения можно обнаружить, если подать напряжение из розетки, на осциллограф.
На экране осциллографа появится синусоида. Можно вычислить частоту переменного тока. Она будет равняться частоте электромагнитных колебаний. Стандартная частота для промышленного переменного тока принята равной 50 Гц. То есть за 1 секунду направление тока в розетке меняется 50 раз. В промышленных сетях США используется частота 60 Гц.
Изменение напряжения на концах цепи будет вызывать за собой изменение силы тока в цепи колебательного контура. Следует всё же понимать, что изменение электрического поля во всей цепи не происходит мгновенно.
Но так как это время, значительно меньше, чем период колебания напряжения на концах цепи, то обычно считают, что электрическое поле в цепи сразу же меняется, как меняется напряжение на концах цепи.
Переменное напряжение в розетке создается генераторами на электростанциях. Простейшим генератором можно рассматривать проволочную рамку, которая вращается в однородном магнитном поле.
Магнитный поток, пронизывающий контур, будет постоянно меняться и будет пропорционален косинусу угла между вектором магнитной индукции и нормалью к рамке. Если рамка вращается равномерно, то угол будет пропорционален времени.
Следовательно, магнитный поток будет изменяться по гармоническому закону:
Ф = B*S*cos(ω*t)
Скорость изменения магнитного потока, взятая с обратным знаком, согласно закону ЭМИ, будет равняться ЭДС индукции.
Ei = -Ф’ = Em*sin(ω*t).
Если к рамке подключить колебательный контур, то угловая скорость вращения рамки определит частот колебаний напряжения на различных участках цепи и силы тока. В дальнейшем мы будем рассматривать только вынужденные электромагнитные колебания.
Они описываются следующими формулами:
u = Um*sin(ω*t),
u = Um*cos(ω*t)
Здесь Um – амплитуда колебаний напряжения. Напряжение и сила тока меняются с одинаковой частой ω. Но колебания напряжения не всегда будут совпадать с колебаниями силы тока, поэтому лучше использовать более общую формулу:
I = Im*sin(ω*t +φ), где Im - амплитуда колебаний силы тока, а φ – сдвиг фаз между колебаниями силы тока и напряжения.
Параметры переменного тока и напряжения
Величина переменного тока, как и напряжения, постоянно меняется во времени. Количественными показателями для измерений и расчётов применяются их следующие параметры:
Период T - время, в течении которого происходит один полный цикл изменения тока в оба направления относительно нуля или среднего значения.
Частота f - величина, обратная периоду, равная количеству периодов за одну секунду.Один период в секунду это один герц (1 Hz)
f = 1/T
Циклическая частота ω - угловая частота, равная количеству периодов за 2π секунд.
ω = 2πf = 2π/T
Обычно используется при расчётах тока и напряжения синусоидальной формы. Тогда в пределах периода можно не рассматривать частоту и время, а исчисления производить в радианах или градусах. T = 2π = 360°
Начальная фаза ψ - величина угла от нуля (ωt = 0) до начала периода. Измеряется в радианах или градусах. Показана на рисунке для синего графика синусоидального тока.Начальная фаза может быть положительной или отрицательной величиной, соответственно справа или слева от нуля на графике.
Мгновенное значение - величина напряжения или тока измеренная относительно нуля в любой выбранный момент времени t.
i = i(t); u = u(t)
Последовательность всех мгновенных значений в любом интервале времени можно рассмотреть как функцию изменения тока или напряжения во времени. Например, синусоидальный ток или напряжение можно выразить функцией:
i = Iampsin(ωt); u = Uampsin(ωt)
С учётом начальной фазы:
i = Iampsin(ωt + ψ); u = Uampsin(ωt + ψ)
Здесь Iamp и Uamp - амплитудные значения тока и напряжения.
Амплитудное значение - максимальное по модулю мгновенное значение за период.
Iamp = max|i(t)|; Uamp = max|u(t)|
Может быть положительным и отрицательным в зависимости от положения относительно нуля. Часто вместо амплитудного значения применяется термин амплитуда тока (напряжения) - максимальное отклонение от нулевого значения.
Д/з
Доклад по теме (по выбору студента)
Производство и передача электроэнергии
Трансформатор. Передача электроэнергии на расстояние
Энергосбережение в бытуПервые опыты по передаче электричества на расстояниеКПД трансформатора. Устройство и работаИспользование электроэнергииТурбогенератор. Устройство и работа
Гидрогенератор. Устройство и работа
Дизель-генератор. Устройство и работа
Ветрогенератор. Устройство и работа
Задачи для самостоятельного решения
Закон ЭМ индукции Фарадея.
1. Магнитный поток внутри катушки с числом витков равным 400, за 0,2 с изменился от 0,1 Вб до 0,9 Вб. Определить ЭДС, индуцируемую в катушке.
2. Определить магнитный поток, проходящий через прямоугольную площадку со сторонами 20х40 см, если она помещена в однородное магнитное поле с индукцией в 5 Тл под углом 60° к линиям магнитной индукции поля.
3. Сколько витков должна иметь катушка, чтобы при изменении магнитного потока внутри нее от 0,024 до 0,056 Вб за 0,32 с в ней создавалась средняя э.д.с. 10 В?
ЭДС индукции в движущихся проводниках.
1. Определить ЭДС индукции на концах крыльев самолета Ан-2, имеющих длину 12,4 м, если скорость самолёта при горизонтальном полёте 180 км/ч, а вертикальная составляющая вектора индукции магнитного поля Земли 0,5·10-4 Тл.
2. Найти ЭДС индукции на крыльях самолета Ту-204, имеющих длину 42 м, летящего горизонтально со скоростью 850 км/ч, если вертикальная составляющая вектора индукции магнитного поля Земли 5·10-5 Тл.
ЭДС самоиндукции
1. В катушке возникает магнитный поток 0,015 Вб, когда по ее виткам проходит ток 5,0 А. Сколько витков содержит катушка, если ее индуктивность 60 мГ?
2. Во сколько раз изменится индуктивность катушки без сердечника, если число витков в ней увеличить в два раза?
3. Какая э.д.с. самоиндукции возникнет в катушке с индуктивностью 68 мГн, если ток 3,8 А исчезнет в ней за 0,012 с?
4. Определить индуктивность катушки, если при ослаблении в ней тока на 2,8 А за 62 мс в катушке появляется средняя э.д.с. самоиндукции 14 В.
5. За сколько времени в катушке с индуктивностью 240 мГ происходит нарастание тока от нуля до 11,4 А, если при этом возникает средняя э.д.с. самоиндукции 30 В?
Энергия электромагнитного поля
1. По катушке с индуктивностью 0,6 Гн течет ток силой 20 А. Какова энергия магнитного поля катушки? Как изменится эта энергия при возпастании силы тока в 2 раза? в 3 раза?
2. Какой силы ток нужно пропускать по обмотке дросселя с индуктивностью 0,5 Гн, чтобы энергия поля оказалась равной 100 Дж?
3. Энергия магнитного поля какой катушки больше и во сколько раз, если первая имеет характеристики: I1=10A, L1=20 Гн, вторая: I2=20A, L2=10 Гн?
4. Определить энергию магнитного поля катушки, в которой при токе 7,5 А магнитный поток равен 2,3·10-3 Вб. Число витков в катушке 120.
5. Определить индуктивность катушки, если при токе 6,2 А ее магнитное поле обладает энергией 0,32 Дж.
6. Магнитное поле катушки с индуктивностью 95 мГн обладает энергией 0,19 Дж. Чему равна сила тока в катушке?
На данном уроке, тема которого: «Правило Ленца. Закон электромагнитной индукции», мы узнаем общее правило, позволяющее определить направление индукционного тока в контуре, установленное в 1833 г. Э.X. Ленцем. Также рассмотрим опыт с алюминиевыми кольцами, наглядно демонстрирующий это правило, и сформулируем закон электромагнитной индукции
Приближением или удалением магнита от сплошного кольца мы меняем магнитный поток, который пронизывает площадь кольца. Согласно теории явления электромагнитной индукции, в кольце должен возникнуть индукционный электрический ток. Из опытов Ампера известно, что там, где проходит ток, возникает магнитное поле. Следовательно, замкнутое кольцо начинает вести себя как магнит. То есть происходит взаимодействие двух магнитов (постоянный магнит, который мы двигаем, и замкнутый контур с током).
Так как система не реагировала на приближение магнита к кольцу с разрезом, то можно сделать вывод, что индукционный ток в незамкнутом контуре не возникает.
Причины отталкивания или притягивания кольца к магниту
1. При приближении магнита
При приближении полюса магнита кольцо отталкивается от него. То есть оно ведет себя как магнит, у которого с нашей стороны такой же полюс, как у приближающегося магнита. Если мы приближаем северный полюс магнита, то вектор магнитной индукции кольца с индукционным током направлен в противоположную сторону относительно вектора магнитной индукции северного полюса магнита (см. Рис. 2).
Рис. 2. Приближение магнита к кольцу
2. При удалении магнита от кольца
При удалении магнита кольцо тянется за ним. Следовательно, со стороны удаляющегося магнита у кольца образовывается противоположный полюс. Вектор магнитной индукции кольца с током направлен в ту же сторону, что и вектор магнитной индукции удаляющегося магнита (см. Рис. 3).
Рис. 3. Удаление магнита от кольца
Из данного опыта можно сделать вывод, что при движении магнита кольцо ведет себя также подобно магниту, полярность которого зависит от того, увеличивается или уменьшается магнитный поток, пронизывающий площадь кольца. Если поток возрастает, то векторы магнитной индукции кольца и магнита противоположны по направлению. Если магнитный поток сквозь кольцо уменьшается со временем, то вектор индукции магнитного поля кольца совпадает по направлению с вектором индукции магнита.
Направление индукционного тока в кольце можно определить по правилу правой руки. Если направить большой палец правой руки по направлению вектора магнитной индукции, то четыре согнутых пальца укажут направление тока в кольце (см. Рис. 4).
Рис. 4. Правило правой руки
При изменении магнитного потока, пронизывающего контур, в контуре возникает индукционный ток такого направления, чтобы своим магнитным потоком компенсировать изменение внешнего магнитного потока.
Если внешний магнитный поток возрастает, то индукционный ток своим магнитным полем стремится замедлить это возрастание. Если магнитный поток убывает, то индукционный ток своим магнитным полем стремится замедлить это убывание.
Эта особенность электромагнитной индукции выражается знаком «минус» в формуле ЭДС индукции.
Закон электромагнитной индукции
При изменении внешнего магнитного потока, пронизывающего контур, в контуре возникает индукционный ток. При этом значение электродвижущей силы численно равно скорости изменения магнитного потока, взятой со знаком «-».
Правило Ленца является следствием закона сохранения энергии в электромагнитных явлениях.
Список литературы
- Мякишев Г.Я. Физика: Учеб. для 11 кл. общеобразоват. учреждений. - М.: Просвещение, 2010.
- Касьянов В.А. Физика. 11 кл.: Учеб. для общеобразоват. учреждений. - М.: Дрофа, 2005.
- Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И., Физика 11. - М.: Мнемозина.
Домашнее задание
- Вопросы в конце параграфа 10 (стр. 33) - Мякишев Г.Я. Физика 11 (см. список рекомендованной литературы)
- Как формулируется закон электромагнитной индукции?
- Почему в формуле для закона электромагнитной индукции стоит знак «-»?
- Интернет-портал Festival.1september.ru ().
- Интернет-портал Physics.kgsu.ru ().
- Интернет-портал Youtube.com ().
Явление электромагнитной индукции было открыто выдающимся английским физиком М. Фарадеем в 1831 г. Оно заключается в возникновении электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменении во времени магнитного потока, пронизывающего контур.
Магнитным потоком Φ через площадь S контура называют величину
Φ = B · S · cos α,
Где B – модуль вектора магнитной индукции, α – угол между вектором и нормалью к плоскости контура (рис. 4.20.1).
Рисунок 4.20.1.
Магнитный поток через замкнутый контур. Направление нормали и выбранное положительное направление обхода контура связаны правилом правого буравчика.
Определение магнитного потока нетрудно обобщить на случай неоднородного магнитного поля и неплоского контура. Единица магнитного потока в системе СИ называется вебером (Вб). Магнитный поток, равный 1 Вб, создается магнитным полем с индукцией 1 Тл, пронизывающим по направлению нормали плоский контур площадью 1 м2:
1 Вб = 1 Тл · 1 м2.
Фарадей экспериментально установил, что при изменении магнитного потока в проводящем контуре возникает ЭДС индукции Eинд, равная скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, взятой со знаком минус:
Опыт показывает, что 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. Это утверждение называется правилом Ленца (1833 г.).
Рис. 4.20.2 иллюстрирует правило Ленца на примере неподвижного проводящего контура, который находится в однородном магнитном поле, модуль индукции которого увеличивается во времени.
Рисунок 4.20.2.
Иллюстрация правила Ленца. В этом примере а инд < 0. Индукционный ток Iинд течет навстречу выбранному положительному направлению обхода контура.
Правило Ленца отражает тот экспериментальный факт, что инд и всегда имеют противоположные знаки (знак «минус» в формуле Фарадея). Правило Ленца имеет глубокий физический смысл – оно выражает закон сохранения энергии.
Изменение магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур, может происходить по двум причинам.
1. 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. Возникновение ЭДС индукции объясняется действием силы Лоренца на свободные заряды в движущихся проводниках. Сила Лоренца играет в этом случае роль сторонней силы.
Рассмотрим в качестве примера возникновение ЭДС индукции в прямоугольном контуре, помещенном в однородное магнитное поле перпендикулярное плоскости контура. Пусть одна из сторон контура длиной l скользит со скоростью по двум другим сторонам (рис. 4.20.3).
Рисунок 4.20.3.
Возникновение ЭДС индукции в движущемся проводнике. Указана составляющая силы Лоренца, действующей на свободный электрон.
На свободные заряды на этом участке контура действует сила Лоренца. Одна из составляющих этой силы, связанная с переносной скоростью зарядов, направлена вдоль проводника. Эта составляющая указана на рис. 4.20.3. Она играет роль сторонней силы. Ее модуль равен
Работа силы FЛ на пути l равна
A = FЛ · l = eυBl.
По определению ЭДС
В других неподвижных частях контура сторонняя сила равна нулю. Соотношению для инд можно придать привычный вид. За времы Δt площадь контура изменяется на ΔS = lυΔt. Изменение магнитного потока за это время равно ΔΦ = BlυΔt. Следовательно,
Для того, чтобы установить знак в формуле, связывающей инд и нужно выбрать согласованные между собой по правилу правого буравчика направление нормали и положительное направление обхода контура как это сделано на рис. 4.20.1 и 4.20.2. Если это сделать, то легко прийти к формуле Фарадея.
Если сопротивление всей цепи равно R, то по ней будет протекать индукционный ток, равный Iинд = инд/R. За время Δt на сопротивлении R выделится джоулево тепло (см. § 4.11)
Возникает вопрос: откуда берется эта энергия, ведь сила Лоренца работы не совершает! Этот парадокс возник потому, что мы учли работу только одной составляющей силы Лоренца. При протекании индукционного тока по проводнику, находящемуся в магнитном поле, на свободные заряды действует еще одна составляющая силы Лоренца, связанная с относительной скоростью движения зарядов вдоль проводника. Эта составляющая ответственна за появление силы Ампера. Для случая, изображенного на рис. 4.20.3, модуль силы Ампера равен FA = IBl. Сила Ампера направлена навстречу движения проводника; поэтому она совершает отрицательную механическую работу. За время Δt эта работа Aмех равна
Движущийся в магнитном поле проводник, по которому протекает индукционный ток, испытывает магнитное торможение. Полная работа силы Лоренца равна нулю. Джоулево тепло в контуре выделяется либо за счет работы внешней силы, которая поддерживает скорость проводника неизменной, либо за счет уменьшения кинетической энергии проводника.
2. 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. Электроны в неподвижном проводнике могут приводиться в движение только электрическим полем. Это электрическое поле порождается изменяющимся во времени магнитным полем. Работа этого поля при перемещении единичного положительного заряда по замкнутому контуру равна ЭДС индукции в неподвижном проводнике. Следовательно, электрическое поле, порожденное изменяющимся магнитным полем, не является потенциальным. Его называют вихревым электрическим полем. Представление о вихревом электрическом поле было введено в физику великим английским физиком Дж. Максвеллом (1861 г.).
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.
Цель урока : сформировать понятие об индукционном токе, выработать умение определять направление индукционного тока с помощью правила Ленца.
Ход урока
Проверка домашнего задания
- Как было открыто явление электромагнитной индукции М. Фарадеем?
Показать опыты Фарадея по обнаружению электромагнитной индукции.
Сделать выводы и пояснить, что это за явление – электромагнитная индукция?
От чего зависит величина индукционного тока в контуре?
Что называется магнитным потоком?
На доске сделать чертеж и вывести формулу для вычисления магнитного потока.
Изучение нового материала
Если к катушке, в которой может возникнуть индукционный ток, подсоединить гальванометр, то можно заметить, что стрелка отклоняется в разные стороны в зависимости от того приближается магнит к катушке или удаляется; зависит отклонение стрелки гальванометра и от полюса магнита.
Значит, индукционный ток меняет свое направление. Катушка с протекающим током подобна магниту с южным и северным полюсом. Можно предсказать когда катушка будет притягивать магнит, а когда отталкивать.
Взаимодействие магнита с индукционным током.
Для того чтобы сблизить магнит и катушку надо совершить работу. Так как при приближении магнита к катушке на ближайшем конце у катушки возникает одноименный полюс, то магнит с катушкой отталкиваются. Если бы они притягивались, то был бы нарушен закон сохранения энергии. Доказать это положение. Подтвердить вывод с помощью прибора, изображенного на рисунке. Хорошо видно, как при приближении магнита к замкнутому кольцу, оно будет отталкиваться от магнита. При удалении магнита от кольца оно начинает притягиваться к магниту.
С разрезанным кольцом ничего не происходит, так как в нем не создается индукционный ток.
Отталкивает или притягивает катушка магнит, зависит от направления индукционного тока.
На основании закона сохранения энергии получили правило, позволяющее определять направление индукционного тока. 
На первом рисунке видим, что при приближении магнита к катушке магнитный поток пронизывающий витки катушки увеличивается, а во втором случае – уменьшается.
На первом рисунке вновь созданные линии индукции выходят из верхнего конца катушки (катушка отталкивает магнит), на втором рисунке все наоборот.
Правило Ленца. Возникающий в замкнутом контуре индукционный ток своим магнитным полем противодействует тому изменению магнитного потока, которым он вызван.
Закрепление изученного материала.
Как определить направление индукционного тока?
Что произойдет в кольце, когда в него введут магнит, если кольцо сделано из: а) не проводника;
Б) проводника; в) сверхпроводника?
Урок по физике в 11 классе на тему:
«Электромагнитная индукция. Правило Ленца»
Цель урока:
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.
План урока:
Индукционный ток.
Электромагнитная индукция в современной технике
Закрепление темы: Лабораторная работа «Электромагнитная индукция»
Подведение итогов урока I . Постановка учебной задачи.
Мы с вами прошли тему «Магнитное поле». Сегодня нам предстоит выяснить, как вы усвоили этот материал. Обобщим знания о магнитном поле и продолжим совершенствовать умения объяснять магнитные явления.
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?
Чему равна 1Тл?
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:
А) Силы Лоренца
Б) Силы Ампера
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!
Тема урока «Электромагнитная индукция. Правило Ленца»
Последовательность изложения нового материала
История открытия явления электромагнитной индукции.
Демонстрация опытов Фарадея по электромагнитной индукции.
Индукционный ток.
Причины возникновения индукционного тока.
Направление индукционного тока. Правило Ленца
Закон электромагнитной индукции.
Лабораторная работа «Электромагнитная индукция»
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:
ε i =A вихр /q
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 I i 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 I i 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 В б ], 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 < 0 и поле индукционного тока направлено навстречу потоку. Если же поток уменьшается (∆Ф < 0), то Е i > 0 и направление потока и поля индукционного тока совпадают.Таким образом явление электромагнитной 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.
Закрепление изученного: Лабораторная работа « Изучение явления электромагнитной индукции»
Подведение итогов урока
9. Задание на дом : § 8-11.
