ЗАКОН ЕЛЕКТРОМАГНІТНОЇ ІНДУКЦІЇ. ПРАВИЛО ЛЕНЦЯ
У 1831 році англійський вчений-фізик М.Фарадей у своїх дослідах відкрив явище електромагнітної індукції. Потім вивченням цього явища займалися російські вчений Е.Х. Ленц та Б.С.Якобі.
В даний час в основі багатьох пристроїв лежить явище електромагнітної індукції, наприклад у двигуні або генераторі електричного струму, у трансформаторах, радіоприймачах, та багатьох інших пристроях.
Електромагнітна індукція - це виникнення струму в замкнутому провіднику, при проходженні через нього магнітного потоку.
Тобто завдяки цьому явищу ми можемо перетворювати механічну енергіюв електричну. До відкриття цього явища люди не знали про методи отримання електричного струму, крім гальваніки.
Коли провідник виявляється під дією магнітного поля, У ньому виникає ЕРС, яку кількісно можна виразити через закон електромагнітної індукції.
Закон електромагнітної індукції
Електрорушійна сила, що індукується у провідному контурі, дорівнює швидкості зміни магнітного потоку, що зчепляється з цим контуром.
У котушці, яка має кілька витків, загальна ЕРС залежить від кількості витків n:
ЕРС, що збуджується в контурі, створює струм. Найбільш простим прикладомПоява струму в провіднику є котушка, через яку проходить постійний магніт. Напрямок струму, що індукується, можна визначити за допомогою правила Ленца.
Правило Ленца
Струм, що індукується при зміні магнітного поля, що проходить через контур, своїм магнітним полем перешкоджає цій зміні.
У тому випадку, коли ми вводимо магніт у котушку, магнітний потік у контурі збільшується, а значить магнітне поле, створюване струмом, що індукується, за правилом Ленца, спрямоване проти збільшення поля магніту. Щоб визначити напрямок струму, потрібно подивитися на магніт із боку північного полюса. З цієї позиції ми будемо вкручувати свердлик у напрямку магнітного поля струму, тобто назустріч північному полюсу. Струм рухатиметься за напрямом обертання буравчика, тобто за годинниковою стрілкою.
У тому випадку, коли ми виводимо магніт з котушки, магнітний потік у контурі зменшується, а значить магнітне поле, створюване струмом, що індукується, спрямоване проти зменшення поля магніту. Щоб визначити напрямок струму, потрібно викручувати буравчик, напрямок обертання буравчика вкаже напрямок струму в провіднику проти годинникової стрілки.
Електричний генератор - це пристрій, у якому неелектричні види енергії (механічна, хімічна, теплова) перетворюються на електричну енергію.
Класифікація електромеханічних генераторів
За типом первинного двигуна:
Турбогенератор - електричний генератор, що приводиться в рух паровою турбіною або газотурбінним двигуном;
Гідрогенератор - електричний генератор, що рухається гідравлічною турбіною;
Дизель-генератор - електричний генератор, що рухається дизельним двигуном;
Вітрогенератор - електричний генератор, що перетворює на електрику кінетичну енергію вітру;
На вигляд вихідного електричного струму
Трифазний генераторЗ включенням обмоток зіркою
З включенням обмоток трикутником
За способом збудження
Зі збудженням постійними магнітами
Із зовнішнім збудженням
З самозбудженням
З послідовним збудженням
З паралельним збудженням
Зі змішаним збудженням
За принципом роботи генератори можуть бути синхронними чи асинхронними.
Асинхронні генератори конструктивно просто влаштовані та недорогі у виготовленні, більш стійкі до струмів короткого замикання та перевантажень. Асинхронний електрогенератор ідеально підходить для живлення активного навантаження: ламп розжарювання, електронагрівачів, електроніки, електричних конфорок і т.д. потужності має бути мінімум трикратним, а краще чотириразовим.
Синхронний генератор чудово підійде для індуктивних споживачів із високими значеннями пускових струмів. Вони здатні протягом однієї секунди витримувати п'ятикратне струмове навантаження.
Принцип дії генератора струму
Генератор працює на основі закону електромагнітної індукції Фарадея - електрорушійна сила (ЕРС) індукується в прямокутному контурі (дротяній рамці), що обертається в однорідному магнітному полі.
ЕРС також виникає у нерухомій прямокутній рамці, якщо в ній обертати магніт.
Найпростіший генератор є прямокутною рамкою, розміщеною між 2 магнітами з різними полюсами. Для того щоб зняти з рамки, що обертається, напруга використовуються струмознімальні кільця.
Автомобільний генератор складається з корпусу та двох кришок з отворами для вентиляції. Ротор обертається в 2 підшипниках і рухається за допомогою шківа. По суті ротор є електромагнітом, що складається з однієї обмотки. Струм на неї подається за допомогою двох мідних кілець та графітових щіток, які з'єднані з електронним реле-регулятором. Він відповідає за те, що видається напруга генератором завжди було в допустимих межах 12 Вольт з допустимими відхиленнями і не залежало від частоти обертання шківа. Реле-регулятор може бути як вбудований у корпус генератора, так і знаходиться за його межами.
Статор складається з трьох мідних обмоток, з'єднаних між собою трикутник. До точок їх з'єднання підключено випрямний міст з 6 напівпровідникових діодів, які перетворюють напругу зі змінного на постійне.
Бензиновий електрогенератор складається з двигуна і приводить ним у рух безпосередньо генератора струму, який може бути як синхронного, так і асинхронного типу.
Двигун оснащений системами: запуску, упорскування палива, охолодження, мастила, стабілізації оборотів. Вібрацію та шум поглинають глушник, віброгасники та амортизатори.
Змінний електричний струм
Електромагнітні коливання, як і механічні, бувають двох типів: вільні та вимушені.
Вільні електромагнітні коливання, що завжди затухають. Тому практично вони майже використовуються. У той час, як вимушені коливання використовуються скрізь і повсюдно. Щодня ми з вами можемо спостерігати ці вагання.
Всі наші квартири освітлені за допомогою змінного струму. Змінний струм є не що інше, як вимушені електромагнітні коливання. Сила струму та напруга змінюватимуться з часом відповідно до гармонійного закону. Коливання, наприклад, напруги можна виявити, якщо подати напругу з розетки на осцилограф.
На екрані осцилографа з'явиться синусоїда. Можна визначити частоту змінного струму. Вона дорівнюватиме частоті електромагнітних коливань. Стандартна частота для промислового змінного струму прийнята 50 Гц. Тобто за 1 секунду напрямок струму в розетці змінюється 50 разів. У промислових мережах США використовують частоту 60 Гц.
Зміна напруги на кінцях ланцюга буде викликати зміну сили струму в ланцюгу коливального контуру. Слід все ж таки розуміти, що зміна електричного поляу всьому ланцюзі не відбувається миттєво.
Але оскільки цей час значно менше, ніж період коливання напруги на кінцях ланцюга, то зазвичай вважають, що електричне поле в ланцюгу відразу ж змінюється, як змінюється напруга на кінцях ланцюга.
Змінна напруга у розетці створюється генераторами на електростанціях. Найпростішим генератором можна розглядати дротяну рамку, що обертається в однорідному магнітному полі.
Магнітний потік, що пронизує контур, постійно змінюватиметься і буде пропорційний косинусу кута між вектором магнітної індукції та нормаллю до рамки. Якщо рамка обертається рівномірно, то кут буде пропорційним часу.
Отже, магнітний потік змінюватиметься за гармонійним законом:
Ф = B * S * cos (ω * t)
Швидкість зміни магнітного потоку, взята зі зворотним знаком, згідно із законом ЕМІ, дорівнюватиме ЕРС індукції.
Ei = -Ф '= Em * sin (ω * t).
Якщо до рамки підключити коливальний контур, то кутова швидкістьобертання рамки визначить частот коливань напруги на різних ділянкахланцюга та сили струму. Надалі ми розглядатимемо лише вимушені електромагнітні коливання.
Вони описуються такими формулами:
u = Um * sin (ω * t),
u = Um * cos (ω * t)
Тут Um – амплітуда коливань напруги. Напруга і сила струму змінюються з однаковою частою? Але коливання напруги не завжди збігатимуться з коливаннями сили струму, тому краще використовувати більш загальну формулу:
I = Im*sin(ω*t +φ), де Im - амплітуда коливань сили струму, а φ – зсув фаз між коливаннями сили струму та напруги.
Параметри змінного струму та напруги
Розмір змінного струму, як і напруги, постійно змінюється у часі. Кількісними показниками для вимірювань та розрахунків застосовуються такі параметри:
Період T - час, протягом якого відбувається один повний цикл зміни струму в обидва напрями щодо нуля або середнього значення.
Частота f - величина, зворотна періоду, що дорівнює кількості періодів за одну секунду. Один період на секунду це один герц (1 Hz)
f = 1/T
Циклічна частота - кутова частота, що дорівнює кількості періодів за 2π секунд.
ω = 2πf = 2π/T
Зазвичай використовується при розрахунках струму та напруги синусоїдальної форми. Тоді в межах періоду можна не розглядати частоту та час, а обчислення робити в радіанах чи градусах. T = 2π = 360 °
Початкова фаза - величина кута від нуля (ωt = 0) до початку періоду. Вимірюється у радіанах або градусах. Показана на малюнку для синього графіка синусоїдального струму. Початкова фаза може бути позитивною або негативною величиною, відповідно праворуч або ліворуч від нуля на графіку.
Миттєве значення - величина напруги або струму виміряна щодо нуля у будь-який момент часу t.
i = i(t); u = u(t)
Послідовність всіх миттєвих значень у будь-якому інтервалі часу можна розглянути як функцію зміни струму або напруги часу. Наприклад, синусоїдальний струм або напруга можна виразити функцією:
i = Iampsin(ωt); u = Uampsin(ωt)
З урахуванням початкової фази:
i = Iampsin(ωt + ψ); u = Uampsin(ωt + ψ)
Тут Iamp та Uamp – амплітудні значення струму та напруги.
Амплітудне значення - максимальне за модулем миттєве значення у період.
Iamp = max|i(t)|; Uamp = max | u (t) |
Може бути позитивним та негативним залежно від положення щодо нуля. Часто замість амплітудного значення застосовується термін амплітуда струму (напруги) – максимальне відхилення від нульового значення.
Д/з
Доповідь на тему (на вибір студента)
Виробництво та передача електроенергії
Трансформатори. Передача електроенергії на відстань
Енергозбереження в побуті Перші досліди з передачі електрики на відстань ККД трансформатора. Пристрій та роботаВикористання електроенергіїТурбогенератор. Пристрій та робота
Гідрогенератор. Пристрій та робота
Дизель-генератор. Пристрій та робота
Вітрогенератор. Пристрій та робота
Завдання для самостійного вирішення
Закон ЕМ індукції Фарадея.
1. Магнітний потік усередині котушки з числом витків рівним 400, за 0,2 с змінився від 0,1 до 0,9 Вб. Визначити ЕРС, що індукується у котушці.
2. Визначити магнітний потік, що проходить через прямокутний майданчик зі сторонами 20х40 см, якщо він поміщений в однорідне магнітне поле з індукцією 5 Тл під кутом 60° до ліній магнітної індукції поля.
3. Скільки витків повинна мати котушка, щоб при зміні магнітного потоку всередині неї від 0,024 до 0,056 Вб за 0,32 с у ній створювалася середня е.р.с. 10 В?
ЕРС індукції в провідниках, що рухаються.
1. Визначити ЕРС індукції на кінцях крил літака Ан-2, мають довжину 12,4 м, якщо швидкість літака при горизонтальному польоті 180 км/год, а вертикальна складова вектора індукції магнітного поля Землі 0,5 10-4 Тл.
2. Знайти ЕРС індукції на крилах літака Ту-204, що мають довжину 42 м, що летить горизонтально зі швидкістю 850 км/год, якщо вертикальна складова вектора індукції магнітного поля Землі 5 · 10-5 Тл.
ЕРС самоіндукції
1. У котушці виникає магнітний потік 0,015 Вб, коли її витками проходить струм 5,0 А. Скільки витків містить котушка, якщо її індуктивність 60 мг?
2. У скільки разів зміниться індуктивність котушки без сердечника, якщо кількість витків у ній збільшити вдвічі?
3. Яка е.р.с. самоіндукції виникне у котушці з індуктивністю 68 мГн, якщо струм 3,8 А зникне в ній за 0,012 с?
4. Визначити індуктивність котушки, якщо при ослабленні струму на 2,8 А за 62 мс в котушці з'являється середня е.р.с. самоіндукції 14 Ст.
5. За скільки часу в котушці з індуктивністю 240 мг відбувається наростання струму від нуля до 11,4 А, якщо при цьому виникає середня е.р.с. самоіндукції 30?
Енергія електромагнітного поля
1. По котушці з індуктивністю 0,6 Гн тече струм силою 20 А. Яка енергія магнітного поля котушки? Як зміниться ця енергія під час повстання сили струму вдвічі? у 3 рази?
2. Якої сили струм потрібно пропускати по обмотці дроселя з індуктивністю 0,5 Гн, щоб енергія поля дорівнювала 100 Дж?
3. Енергія магнітного поля якої котушки більша й у скільки разів, якщо перша має характеристики: I1=10A, L1=20 Гн, друга: I2=20A, L2=10 Гн?
4. Визначити енергію магнітного поля котушки, у якій за струму 7,5 А магнітний потік дорівнює 2,3 · 10-3 Вб. Число витків у котушці 120.
5. Визначити індуктивність котушки, якщо при струмі 6,2 А її магнітне поле має енергію 0,32 Дж.
6. Магнітне поле котушки з індуктивністю 95 мГн має енергію 0,19 Дж. Чому дорівнює сила струму в котушці?
На уроці, тема якого: «Правило Ленца. Закон електромагнітної індукції», ми дізнаємося загальне правило, що дозволяє визначити напрямок індукційного струму в контурі, встановлений в 1833 Е.X. Ленцем. Також розглянемо досвід з алюмінієвими кільцями, що наочно демонструє це правило, і сформулюємо закон електромагнітної індукції
Наближенням або видаленням магніту від суцільного кільця ми змінюємо магнітний потік, який пронизує площу кільця. Відповідно до теорії явища електромагнітної індукції, у кільці має виникнути індукційний електричний струм. З дослідів Ампера відомо, що там, де протікає струм, виникає магнітне поле. Отже, замкнене кільце починає поводитися як магніт. Тобто відбувається взаємодія двох магнітів (постійний магніт, який ми рухаємо, та замкнутий контур зі струмом).
Так як система не реагувала на наближення магніту до кільця з розрізом, можна зробити висновок, що індукційний струм в незамкнутому контурі не виникає.
Причини відштовхування або притягування кільця до магніту
1. При наближенні магніту
При наближенні полюса магніту кільце відштовхується від нього. Тобто воно поводиться як магніт, у якого з нашого боку такий же полюс, як у магніту, що наближається. Якщо ми наближаємо північний полюс магніту, то вектор магнітної індукції кільця з індукційним струмом спрямований протилежний бік щодо вектора магнітної індукції північного полюса магніту (див. рис. 2).
Мал. 2. Наближення магніту до кільця
2. При видаленні магніту від кільця
При видаленні магніту кільце тягнеться його. Отже, з боку магніту, що віддаляється, у кільця утворюється протилежний полюс. Вектор магнітної індукції кільця зі струмом спрямований у ту ж сторону, що і вектор магнітної індукції магніту, що віддаляється (див. Рис. 3).
Мал. 3. Видалення магніту від кільця
З цього досвіду можна зробити висновок, що при русі магніту кільце поводиться також подібно до магніту, полярність якого залежить від того, збільшується або зменшується магнітний потік, що пронизує площу кільця. Якщо потік зростає, вектори магнітної індукції кільця і магніту протилежні у напрямку. Якщо магнітний потік крізь кільце зменшується з часом, вектор індукції магнітного поля кільця збігається у напрямку з вектором індукції магніту.
Напрямок індукційного струму в кільці можна визначити за правилом правої руки. Якщо направити великий палець правої руки у напрямку вектора магнітної індукції, то чотири зігнуті пальці вкажуть напрямок струму в кільці (див. рис. 4).
Мал. 4. Правило правої руки
При зміні магнітного потоку, що пронизує контур, у контурі виникає індукційний струм такого напрямку, щоб своїм магнітним потоком компенсувати зміну зовнішнього магнітного потоку.
Якщо зовнішній магнітний потік зростає, індукційний струм своїм магнітним полем прагне уповільнити це зростання. Якщо магнітний потік зменшується, то індукційний струм своїм магнітним полем прагне уповільнити це спадання.
Ця особливість електромагнітної індукції виражається знаком «мінус» у формулі ЕРСіндукції.
Закон електромагнітної індукції
При зміні зовнішнього магнітного потоку, що пронизує контур, у контурі виникає індукційний струм. У цьому значення електрорушійної сили чисельно дорівнює швидкості зміни магнітного потоку, взятої зі знаком «-».
Правило Ленца є наслідком закону збереження енергії у електромагнітних явищах.
Список литературы
- Мякішев Г.Я. Фізика: Навч. для 11 кл. загальноосвіт. установ. - М: Просвітництво, 2010.
- Касьянов В.А. фізика. 11 кл.: Навч. для загальноосвіт. установ. - М: Дрофа, 2005.
- Генденштейн Л.Е., Дік Ю.І., Фізика 11. – М.: Мнемозіна.
Домашнє завдання
- Запитання наприкінці параграфа 10 (стор. 33) - Мякішев Г.Я. Фізика 11 (див. список рекомендованої літератури)
- Як формулюється закон електромагнітної індукції?
- Чому у формулі для закону електромагнітної індукції стоїть знак «-»?
- Інтернет-портал Festival.1september.ru().
- Інтернет-портал Physics.kgsu.ru().
- Інтернет-портал Youtube.com().
Явище електромагнітної індукції було відкрито видатним англійським фізиком М. Фарадеєм в 1831 р. Воно полягає у виникненні електричного струму в замкнутому контурі, що проводить при зміні в часі магнітного потоку, що пронизує контур.
Магнітним потоком через площу S контуру називають величину
Φ = B · S · cos α,
Де B – модуль вектора магнітної індукції, α – кут між вектором та нормаллю до площини контуру (рис. 4.20.1).
Малюнок 4.20.1.
Магнітний потік через замкнутий контур. Напрямок нормалі та обраний позитивний напрямок обходу контуру пов'язані правилом правого свердла.
Визначення магнітного потоку неважко узагальнити у разі неоднорідного магнітного поля і неплоского контуру. Одиниця магнітного потоку у системі СІ називається вебером (Вб). Магнітний потік, що дорівнює 1 Вб, створюється магнітним полем з індукцією 1 Тл, що пронизує у напрямку нормалі плоский контур площею 1 м2:
1 Вб = 1 Тл · 1 м2.
Фарадей експериментально встановив, що при зміні магнітного потоку в контурі, що проводить, виникає ЕРС індукції Eінд, рівна швидкостізміни магнітного потоку через поверхню, обмежену контуром, взятою зі знаком мінус:
Досвід показує, що індукційний струм, що збуджується в замкнутому контурі при зміні магнітного потоку, завжди спрямований так, що магнітне поле, що створюється, перешкоджає зміні магнітного потоку, що викликає індукційний струм. Це твердження називається правилом Ленца (1833).
Мал. 4.20.2 ілюструє правило Ленца на прикладі нерухомого провідного контуру, що знаходиться в однорідному магнітному полі, модуль індукції якого збільшується в часі.
Малюнок 4.20.2.
Ілюстрація правила Ленца. У цьому прикладі а інд< 0. Индукционный ток Iинд течет навстречу выбранному положительному направлению обхода контура.
Правило Ленца відбиває той експериментальний факт, що інд завжди мають протилежні знаки (знак «мінус» у формулі Фарадея). Правило Ленца має глибокий фізичний сенс- Воно виражає закон збереження енергії.
Зміна магнітного потоку, що пронизує замкнутий контур, може відбуватися з двох причин.
1. Магнітний потік змінюється внаслідок переміщення контуру або його частин у постійному магнітному полі. Це випадок, коли провідники, а разом із ними й вільні носії заряду, рухаються у магнітному полі. Виникнення ЕРС індукції пояснюється дією сили Лоренца на вільні заряди в провідниках, що рухаються. Сила Лоренца грає у разі роль сторонньої сили.
Розглянемо як приклад виникнення ЕРС індукції у прямокутному контурі, поміщеному в однорідне магнітне поле перпендикулярне площині контуру. Нехай одна із сторін контуру довжиною l ковзає зі швидкістю по двох інших сторонах (рис. 4.20.3).
Малюнок 4.20.3.
Виникнення ЕРС індукції в провіднику, що рухається. Вказано складову сили Лоренца, що діє на вільний електрон.
На вільні заряди у цій ділянці контуру діє сила Лоренца. Одна із складових цієї сили, пов'язана з переносною швидкістю зарядів, спрямована вздовж провідника. Ця складова вказана на рис. 4.20.3. Вона грає роль сторонньої сили. Її модуль дорівнює
Робота сили FЛ на шляху l дорівнює
A = FЛ · l = eυBl.
За визначенням ЕРС
В інших нерухомих частинах контуру стороння сила дорівнює нулю. Співвідношенню для інд можна надати звичного вигляду. За часи Δt площа контуру змінюється на ΔS = lυΔt. Зміна магнітного потоку за цей час дорівнює ΔΦ = BlυΔt. Отже,
Для того, щоб встановити знак у формулі, що зв'язує інд і потрібно вибрати узгоджені між собою за правилом правого свердла напрям нормалі і позитивний напрям обходу контуру як це зроблено на рис. 4.20.1 та 4.20.2. Якщо це зробити, то легко дійти формули Фарадея.
Якщо опір всього ланцюга дорівнює R, то по ньому протікатиме індукційний струм, що дорівнює Iінд = інд/R. За час Δt на опорі R виділиться джоулеве тепло (див. § 4.11)
Виникає питання: звідки береться ця енергія, адже сила Лоренца роботи не робить! Цей парадокс виник через те, що ми врахували роботу лише однієї складової сили Лоренца. При протіканні індукційного струму провідником, що знаходиться в магнітному полі, на вільні заряди діє ще одна складова сили Лоренца, пов'язана з відносною швидкістюруху зарядів вздовж провідника. Ця складова є відповідальною за появу сили Ампера. Для випадку, зображеного на рис. 4.20.3 модуль сили Ампера дорівнює FA = IBl. Сила Ампера спрямована назустріч руху провідника; тому вона робить негативну механічну роботу. За час Δt ця робота Aмех дорівнює
Провідник, що рухається в магнітному полі, по якому протікає індукційний струм, відчуває магнітне гальмування. Повна робота сили Лоренца дорівнює нулю. Джоулеве тепло в контурі виділяється або за рахунок роботи зовнішньої силияка підтримує швидкість провідника незмінною, або за рахунок зменшення кінетичної енергіїпровідника.
2. Друга причина зміни магнітного потоку, що пронизує контур – зміна в часі магнітного поля при нерухомому контурі. І тут виникнення ЕРС індукції не можна пояснити дією сили Лоренца. Електрони в нерухомому провіднику можуть рухатися тільки електричним полем. Це електричне поле породжується магнітним полем, що змінюється в часі. Робота цього поля при переміщенні одиничного позитивного заряду замкненого контуру дорівнює ЕРС індукції в нерухомому провіднику. Отже, електричне поле, породжене магнітним полем, що змінюється, не є потенційним. Його називають вихровим електричним полем. Уявлення про вихрове електричне поле було введено у фізику великим англійським фізиком Дж. Максвеллом (1861).
Явище електромагнітної індукції в нерухомих провідниках, що виникає за зміни навколишнього магнітного поля, також описується формулою Фарадея. Таким чином, явища індукції в рухомих і нерухомих провідниках протікають однаково, але фізична причина виникнення індукційного струму виявляється в цих двох випадках різною: у випадку провідників ЕРС, що рухаються, індукції обумовлена силою Лоренца; у разі нерухомих провідників ЕРС індукції є наслідком на вільні заряди вихрового електричного поля, що виникає при зміні магнітного поля.
Мета уроку: сформувати поняття про індукційний струм, виробити вміння визначати напрямок індукційного струму за допомогою правила Ленца.
Хід уроку
Перевірка домашнього завдання
- Як було відкрито явище електромагнітної індукції М. Фарадеєм?
Показати досліди Фарадея виявлення електромагнітної індукції.
Зробити висновки та пояснити, що це за явище – електромагнітна індукція?
Від чого залежить величина індукційного струму у контурі?
Що називається магнітним потоком?
На дошці зробити креслення та вивести формулу для обчислення магнітного потоку.
Вивчення нового матеріалу
Якщо до котушки, в якій може виникнути індукційний струм, приєднати гальванометр, можна помітити, що стрілка відхиляється в різні сторонизалежно від того, наближається магніт до котушки або видаляється; залежить відхилення стрілки гальванометра та від полюса магніту.
Отже, індукційний струм змінює свій напрямок. Котушка з протікаючим струмом подібна до магніту з південним і північним полюсом. Можна передбачити коли котушка притягуватиме магніт, а коли відштовхуватиме.
Взаємодія магніту з індукційним струмом. 
Щоб зблизити магніт і котушку треба зробити роботу. Так як при наближенні магніту до котушки на найближчому кінці у котушки виникає однойменний полюс, магніт з котушкою відштовхуються. Якби вони притягувалися, то було б порушено закон збереження енергії. Довести це становище. Підтвердити виведення за допомогою приладу, зображеного на малюнку. Добре видно, як при наближенні магніту до замкнутого кільця, воно відштовхуватиметься від магніту. При віддаленні магніту від кільця воно починає притягуватися до магніту.
З розрізаним кільцем нічого не відбувається, тому що в ньому не створюється індукційний струм.
Відштовхує або притягує котушка магніт, залежить від напрямку індукційного струму.
З закону збереження енергії отримали правило, що дозволяє визначати напрямок індукційного струму. 
На першому малюнку бачимо, що при наближенні магніту до котушки магнітний потік пронизує витки котушки збільшується, а в другому – зменшується.
На першому малюнку новостворені лінії індукції виходять із верхнього кінця котушки (котушка відштовхує магніт), на другому малюнку все навпаки.
Правило Ленца. Виникає в замкнутому контурі індукційний струм своїм магнітним полем протидіє зміні магнітного потоку, яким він викликаний.
Закріплення дослідженого матеріалу.
Як визначити напрямок індукційного струму?
Що станеться у кільці, коли в нього введуть магніт, якщо кільце зроблено з: а) не провідника;
Б) провідника; в) надпровідника?
Урок з фізики в 11 класі на тему:
«Електромагнітна індукція. Правило Ленца»
Мета уроку:
освітні: познайомити учнів з явищем електромагнітної індукції, відтворити досліди Фарадея, показати, що індукційний струм утворюється за зміни магнітного потоку, що пронизує контур; вивести формулу та усвідомити фізичний зміст закону електромагнітної індукції; сформулювати правило Ленца.
виховні:формувати навички колективної роботи у поєднанні з самостійністю учнів, виховувати пізнавальну потребу та інтерес до предмета;
розвиваючі:розвивати здатність швидко сприймати інформацію та виконувати практичні завдання; розвивати логічне мислення та увагу, уміння аналізувати, зіставляти отримані результати, робити відповідні висновки.
План уроку:
Індукційний струм.
Електромагнітна індукція в сучасної техніки
Закріплення теми: Лабораторна робота«Електромагнітна індукція»
Підбиття підсумків уроку I . Постановка навчальної задачі.
Ми з вами пройшли тему "Магнітне поле". Сьогодні ми маємо з'ясувати, як ви засвоїли цей матеріал. Узагальнемо знання про магнітне поле та продовжимо вдосконалювати вміння пояснювати магнітні явища.
II. Реалізація опорних знань.
Для цього ми маємо з вами відповісти на деякі запитання.
Що таке електричний струм?
Що необхідне існування електричного струму?
Чим створюється магнітне поле?
Як можна знайти магнітне поле?
Яка величина характеризує магнітне поле у кожній точці?
У яких одиницях вимірюють магнітну індукцію?
Чому дорівнює 1Тл?
Яка величина характеризує магнітне поле у певній області простору?
Які одиниці вимірюють магнітний потік?
Чому дорівнює 1 Вб?
Від чого залежить магнітний потік, що пронизує площу плоского контуру, поміщеного в однорідне магнітне поле?
Доповніть такі визначення:
А) Сила Лоренца-це.
Б) Сила Ампера-це.
В) Температура Кюрі-це.
Г) Магнітна проникність середовища характеризує.
13. Напишіть формули для розрахунків:
А) Сили Лоренца
Б) Сили Ампера
В) Модуля вектора магнітної індукції
Г) Магнітного потоку
Д) магнітної проникності середовища
14. Сила Ампера застосовується.
15. Сила Лоренца використовується.
III. Вивчення нового матеріалу
Отже, після узагальнення знань про магнітне поле та продовжимо вдосконалювати вміння пояснювати магнітні явища.
Сьогодні на уроці ми відкриємо нове явище, яке належить до найпрекрасніших. наукових досягненьпершої половини 19 століття, що викликало появу та бурхливий розвиток електротехніки та радіотехніки. Отже, попереду за знаннями!
Тема уроку «Електромагнітна індукція. Правило Ленца»
Послідовність викладу нового матеріалу
Історія відкриття явища електромагнітної індукції
Демонстрація дослідів Фарадея з електромагнітної індукції.
Індукційний струм.
Причини виникнення індукційного струму.
Напрямок індукційного струму. Правило Ленца
Закон електромагнітної індукції
Лабораторна робота «Електромагнітна індукція»
Раніше в електродинаміці вивчалися явища, пов'язані чи зумовлені існуванням постійних у часі (статичних та стаціонарних) електричних та магнітних полів. Чи з'являються нові явища за наявності змінних полів?
Історія відкриття явища електромагнітної індукції
На екрані портрет М. Фарадея (1791 – 1867).
Бібліографічні відомості: М. Фарадей
Демонстрація дослідів Фарадея з електромагнітної індукції, аналіз дослідів
Досвід 1.Внесення (винесення) смугового магніту із замкнутого контуру, з'єднаного з гальванометром.
Досвід 2.При замиканні (розмиканні ключа), переміщенні движка реостата, відбувається зміна магнітного поля, що пронизує котушку, в ній виникає струм.
Струм, який виникає у котушці, коли щодо неї рухається постійний магніт, назвали індукційним. Цей струм в котушці індукується, тобто наводиться магнітом, що рухається. .Магнітне поле, яке не змінюється індукційного струму не створює .
Досвід 3.Поворот кадру в магнітному полі.
Індукційний струм у контурі виникає тоді і лише тоді, коли провідник перетинає силові лінії магнітного поля.
Індукційний струм.
Ми розглянули способи отримання індукційного струму:
рух магніту щодо котушки;
рух котушки щодо магніту;
замикання та розмикання ланцюга;
обертання рамки усередині магніту;
переміщення бігунка реостату;
рух однієї котушки щодо іншої.
Причини виникнення індукційного струму:
тільки при зміні магнітного потоку, що пронизує охоплену провідником площу (при русі магніту та котушки щодо один одного);
за рахунок зміни сили струму в ланцюгу (при замиканні та розмиканні ланцюга);
рахунок зміни орієнтації контуру стосовно лініям магнітної індукції.
Висновок:Тільки змінне магнітне поле може створити струм (індукційний струм). Відхилення стрілки гальванометра вказує на наявність індукційного струму ланцюга котушки. Як тільки рух припиняється, припиняється струм.
Що ми сьогодні вивчили? Явище. Яке? Явлення виникнення індукційного струму замкнутому контурі. Це і є явище електромагнітної індукції. Умова виникнення – зміна числа ліній магнітної індукції через поверхню, обмежену контуром.
У всіх випадках можна відзначити, що електричний струм виникає за зміни магнітного поля, тобто за зміни числа силових ліній, що пронизують котушку. Переходячи на мову фізичних величинзагальною причиною виникнення струму можна назвати зміну магнітного потоку, що пронизує контур. Подальші кількісні дослідження підтвердили, що явище електромагнітної індукції – це виникнення струму у замкнутому контурі за зміни магнітного потоку через контур. Виникаючий при цьому струм називають індукційним струмом.
Пояснимо причину виникнення індукційного струму
Індукційний струм виникає під впливом електричного поля, що створюється рахунок зміни магнітного поля. Як будь-яке електричне поле, воно здійснює роботу з переміщення заряду в ланцюзі. Електричне поле, що виникає в процесі зміни магнітного поля, не пов'язане з розподілом електричних зарядів. Змінне магнітне поле нерозривно пов'язане з цим електричним полем, і тому кажуть, що в цьому випадку ми маємо справу. електромагнітним полем. Силові лінії електричного поля, пов'язаного зі змінним магнітним полем, не мають початку і кінця - вони замкнуті на зразок силових ліній магнітного поля. Таке поле називається вихровим. Вихрове електричне поле, що виникає в процесі електромагнітної індукції, створює електричний струм у замкнутому провіднику, отже, здатне викликати циркуляцію електричних зарядів. У зв'язку з цим виникає необхідність запровадження спеціальної енергетичної характеристики вихрового електричного поля: електрорушійної сили індукції (скорочено – ЕРС індукції). Позначається ЕРС індукції літерою ε i . електричного зарядупо замкнутому контуру, до модуля заряду, що переміщується:
ε i =A вихор /q
ЕРС індукції, як і напруга, виявляється у вольтах. За законом Ома для замкнутого ланцюга I i = ε i /R
де R - опір всього замкненого ланцюга. Досліди Фарадея показали, що сила індукційного струму I i у контурі, що проводить, прямо пропорційна швидкості зміни числа ліній магнітної індукції, що пронизують поверхню, обмежену цим контуром.
Досвід 4: внесення (винесення) магніту в замкнутий контур спочатку з одним магнітом, потім із двома магнітами.
Висновок: величина струму залежить від величини магнітної індукції
Якщо в котушку вносити той самий постійний магніт (див. рис. 1), але з різною швидкістю, то можна помітити, що при швидкому русі магніту сила струму більша, ніж при повільному.
Досвід 5:вносимо магніт спочатку повільно, потім швидко.
Висновок: величина струму залежить від швидкості внесення магніту.
Тому сила індукційного струму пропорційна швидкості зміни магнітного потоку через поверхню, обмежену контуром: I i ~ ∆Ф /∆ t
Оскільки R не залежить від ∆Фто ЕРС індукції ε i ~ ∆Ф /∆ t
Таким чином, робимо висновок: ЕРС індукції пропорційна швидкості зміни магнітного поля, що пронизує котушку.
Досвід 6.Залежність ЕРС від кількості витків у котушці.
Висновок:Сила індукційного струму, отже, і ЕРС індукції пропорційні числу витків вторинної котушки за однієї й тієї ж швидкості зміни магнітного поля.
ε i ~ N ·∆Ф /∆ t
ЕРС індукції збігається за напрямом з індукційним струмом.
Таким чином, з виконаних дослідів ми робимо висновок: ЕРС індукції пропорційна швидкості зміни магнітного поля, що пронизує котушку, і витків на ній. Досліди Фарадея показали, що сила індукційного струму I i у контурі, що проводить, прямо пропорційна швидкості зміни числа ліній магнітної індукції, що пронизують поверхню, обмежену цим контуром.
Напрямок індукційного струму
Досвід 7:внесення (винесення) магніту спочатку північним полюсом, потім південним полюсом.
Висновок:напрямок струму залежить від напрямку магнітного поля.
Досвід 8.демонструють залежність напряму струму від замикання чи розмикання ланцюга первинної котушки.
Дослідивши 1831 року всі найважливіші сторони електромагнітної індукції, Фарадей встановив кілька правил визначення напрями індукційного струму у різних випадках, проте загальне правило йому знайти вдалося. Воно було встановлено пізніше, в 1834 петербурзьким академіком Емілем Християновичем Ленцем і носить тому його ім'я.
Правило Ленца.
Досліджуючи явище електромагнітної індукції, Еге. X. Ленц в 1833 р. встановив загальне правило визначення напрями індукційного струму: індукційний струм завжди має такий напрям, щоб своїм магнітним полем перешкоджати причині, що викликала цей струм.
Досвід 9.Демонстрація досвіду Ленца. В установці підносять магніт до суцільного кільця. Бачать: кільце відштовхується від полюса магніту. Якщо надіти кільце на магніт і потім витягувати магніт з нього, то кільце тягнеться за магнітом. Як видно, струм, що індукується в кільці, перешкоджає в першому випадку наближенню магніту, в другому - його видаленню.
На основі подібних спостережень російський учений Е. Х. Ленц запропонував таке правило для визначення напрямку струму, що індукується у провіднику: індукційний струм завжди спрямований так, що його магнітне поле протидіє зміні магнітного поля, яке викликає цей струм.
Напрямок індукційного струму визначають за правилом буравчика, за правилом правої руки.
Вчитель: Для визначення напрямку індукційного струму у замкнутому контурі використовується правило Ленца: Індукційний струм має такий напрям, що створений ним магнітний потік через поверхню, обмежену контуром, перешкоджає зміні магнітного потоку, що викликав цей струм.
Експериментальне завдання:в сталевий сердечник трансформатора, підключеного до напруги 220В (РНШ), вносять замкнутий контур з лампочкою. Чому спалахує лампочка при цьому?
6. Закон електромагнітної індукції
Ми встановили, що Е.Д.С. індукції в якомусь ланцюгу прямо пропорційна швидкості зміни магнітного потоку ∆ t- Час, за який відбувається зміна магнітного потоку. Знак мінус показує, що коли магнітний потік зменшується ( ∆Ф- Запереч.), Е.Д.С. створює індукційний струм, який збільшує магнітний потік і навпаки. Закон електромагнітної індукції експериментальним шляхом встановив М. Фарадей. Німецький фізик і натураліст Г. Гельмгольц показав, що основний закон електромагнітної індукції ε i = – ∆Ф/∆tє наслідком закону збереження енергії. ЕРС індукції в замкнутому контурі дорівнює взятій з протилежним знаком швидкості зміни магнітного потоку, що пронизує контур.
Вираз ε i = – ∆Ф/∆t (1) , зване законом Фарадея, є універсальним: воно справедливе всім випадків електромагнітної індукції. Для котушки з N закон електромагнітної індукції має вигляд:
ε i = – N · ∆Ф/∆t, Ф=BS [Тл·м 2 В б], 1 Вб= 1В·1с
Знак мінус показує, що ЕРС індукції Е i спрямована так, що магнітне поле індукційного струму перешкоджає зміні потоку магнітної індукції ∆Ф. Якщо потік збільшується (∆Ф > 0), то Е i< 0 и поле индукционного тока направлено навстречу потоку. Если же поток уменьшается (∆Ф < 0), то Е i >0 і напрямок потоку і поля індукційного струму збігаються. явище електромагнітного полягає у появі (наведенні) у провідному контурі, що знаходиться в магнітному полі, електрорушійної сили у разі зміни величини магнітного потоку, що проходить через поверхню, обмежену цим контуром. Вираз ε i = – N ·∆Ф/∆t(1) є одним з математичних записів закону електромагнітної індукції - ЕРС, що наводиться в контурі електричного ланцюга, дорівнює взятій зі зворотним знаком швидкості зміни магнітного потоку, що проходить через поверхню, обмежену цим контуром.
7. Електромагнітна індукція у сучасній техніці
Явище електромагнітної індукції лежить в основі роботи індукційних генераторів електричного струму, на які припадає практично вся електроенергія, що виробляється у світі.
Приклади використання явища електромагнітної індукції у сучасній техніці:
спеціальні детектори виявлення металевих предметів;
поїзд на магнітній подушці;
електропечі для плавки металів
побутові мікрохвильові НВЧ – печі.
Закріплення вивченого: Лабораторна робота «Вивчення явища електромагнітної індукції»
Підбиття підсумків уроку
9. Завдання додому: § 8-11.
