KNOWLEDGE HYPERMARKET


Конспект до теми: Електромагнітна індукція. Магнітний потік. Закон електромагнітної індукції. Напрям індукційного струму. Правила Ленца

 Конспект до уроку з предмету Фізика 11 клас
Тема:Електромагнітна індукція. Магнітний потік. Закон електромагнітної індукції. Напрям індукційного струму. Правила Ленца



Надіслано Вікторією Пилипенко , вчителем Фізики. 



Мета: Розширити і поглибити знання учнів про електромагнітну індукцію. Магнітний потік. Закон електромагнітної індукції. Напрям індукційного струму. Правила Ленца.

Обладнання:  картини,підручники, таблиці, ілюстрації, додаткова література.

Тип уроку: Засвоєння нових знань, умінь і навичок.

Форма проведення:Усний.

Хід уроку

'
ІІ. Оголошення теми, завдання уроку, форми проведення.
У природі існує особлива форма матерії, єдине ціле - електромагнітне поле. Одна із форм його виявлення - магнітне поле, друга - електричне. Між цими полями існує тісний зв'язок: змінне з часом електричне поле породжує магнітне, а магнітне породжує електричне поле. Цей зв'язок встановлено завдяки відкриттю 1831 року англійським вченим М. Фарадеєм явища електромагнітної індукції - виникнення електричного струму в провідному контурі, який або нерухомий у змінному магнітному полі, або переміщується в постійному магнітному полі так, що кількість ліній магнітної індукції, що перетинають контур, змінюється. Це явище згодом стало основою всієї електротехніки і радіотехніки. Зокрема, дія генераторів всіх електростанцій світу, що перетворюють механічну енергію в енергію електричного струму, ґрунтується на явищі електромагнітної індукції. Це явище встановив Фарадей на основі дослідів, які тепер може повторити кожний. У котушку, кінці якої замкнено на чутливий до струму прилад (гальванометр), уводимо або витягуємо магніт (рис.4.4.12). Під час переміщення магніту створюється змінне з часом магнітне поле, в якому знаходиться котушка. Кожного разу в котушці (замкнений провідник) під дією змінного магнітного поля виникає струм, який називають індукційним струмом.

FK1.jpeg

Індукційний струм в котушці з металевого дроту виникає також під час зміни сили струму в другій котушці, магнітне поле якої пронизує першу котушку. Індукційний струм утворюється також під час руху котушки відносно нерухомого постійного магніту. Якщо з'єднана з гальванометром котушка рухається повільно в однорідному полі, то індукційний струм не виникає, бо кількість силових ліній, що перетинають котушку, увесь час залишається незмінною.

Поява електричного струму в замкненому контурі під час зміни магнітного поля, що його пронизує, свідчить про дію в контурі сторонніх сил неелектростатистичної природи або про виникнення ЕРС індукції. Кількісний опис явища електромагнітної індукції виконують на основі встановлення зв'язку між ЕРС індукції і фізичною величиною, яку називають магнітним потоком. Ця величина залежить від значень вектора не в одній точці, а в усіх точках поверхні, обмеженої плоским замкненим контуром.

Магнітним потоком Ф через поверхню з площею S називають скалярну фізичну величину, що дорівнює добутку модуля вектора магнітної індукції на площу поверхні S та косинус кута між вектором і вектором нормалі до поверхні (рис.4.4.13).

Ф = BScosa.


FK3.jpeg

Добуток Bcosa = Bn - проекція вектора магнітної індукції на нормаль до площини контуру, тому
Магнітний потік наочно можна витлумачити як величину, пропорційну кількості ліній магнітної індукції, що пронизують поверхню площею S.

Одиниця магнітного потоку - вебер. Магнітний потік в один вебер (1 Вб) створюється однорідним магнітним полем з індукцією 1 Тл через площу 1 м2, перпендикулярну до ліній магнітної індукції: 1 Вб = 1 Тл · м2.

Причина виникнення індукційного струму полягає перш за все в тому, що в замкненому контурі спочатку виникає ЕРС, а вже потім під її впливом в контурі, опір якого R, пройде індукційний струм такий, якого потребує закон Ома для повного кола . Досліди Фарадея показали, що сила індукційного струму пропорційна швидкості зміни магнітного потоку через поверхню, обмежену контуром:

Ii ~ .

Опір провідника не залежить від швидкості зміни магнітного потоку. Отже, Ii ~ тільки тому, що ЕРС індукції пропорційна .

Закон електромагнітної індукції сформульовано саме для ЕРС, оскільки за такого формулювання він виражає суть явища, незалежного від властивостей провідників, у яких виникає індукційний струм. Згідно із законом електромагнітної індукції ЕРС індукції в замкненому контурі дорівнює за модулем швидкості зміни магнітного потоку через поверхню обмежену контуром:

.

Під час проведення дослідів з електромагнітної індукції можна помітити, що стрілка приладу відхиляється то в один, то в другий бік, що свідчить про різні напрями індукційного струму (рис.4.4.14, а, б).

Російський вчений Ленц застосував до явища електромагнітної індукції закон збереження і перетворення енергії і сформулював правило, користуючись яким можна визначити напрям індукційного струму.


FK4.jpeg



Правило Ленца формулюється так: індукційний струм, що виникає в замкненому контурі, протидіє зміні магнітного потоку, який збуджує цей струм. Застосуємо це правило до закону електромагнітної індукції. На рис.4.4.15 зображено замкнений контур. Додатним вважатимемо напрям обходу контуру проти руху годинникової стрілки. Нормаль до контуру утворює правий гвинт з напрямом обходу. Нехай магнітна індукція напрямлена вздовж нормалі до контуру і з часом зростає. Тоді


FK5.jpeg

Закон електромагнітної індукції формулюється так: електрорушійна сила індукції пропорційна швидкості зміни магнітного потоку.

У математичній формі його можна записати формулою:

2-99.jpg

де 2-100.jpg-електрорушійна сила індукції; 2-101.jpg-швидкість зміни магнітного потоку;k — коефіцієнт пропорційності. Якщо величини, які входять у цю формулу, виражені в одиницях Міжнародної системи (СІ), то коефіцієнт пропорційності дорівнює одиниці (k = 1). З урахуванням правила Ленца закон електромагнітної індукції записують так: 
2-102.jpg

Знак «мінус» у цій формулі означає, що знак ЕРС залежить від знака швидкості зміни магнітного потоку. Якщо в разі збільшення магнітного потоку ЕРС матиме певний знак, то зі зменшенням магнітного потоку знак ЕРС зміниться на протилежний.

Закон електромагнітної індукції називають законом Фарадея або законом Фарадея-Максвелла, оскільки так його подав Д. К. Максвелл.

Електрорушійна сила індукції пропорційна швидкості зміні магнітного потоку


2-99.jpg


У законі електромагнітної індукції враховано правило Ленца

2-102.jpg

Для замкнутого провідника М.Фарадей запропонував іншу форму запису закону електромагнітної індукції

Проте цей закон досить легко можна одержати у формі, яку запропонував М. Фарадей. Нехай магнітний потік, що пронизує замкнутий контур, змінюється на ΔФ. При цьому в контурі виникає ЕРС:

2-102.jpg

Сила струму в контурі
2-103.jpg


де R — опір контура.

Заряд, який проходить у контурі внаслідок явища електромагнітної індукції:

2-104.jpg

Оскільки заряд є величиною скалярною, то знак «мінус» у законі можна опустити. Отже,

2-105.jpg

Щоб переконатися в універсальності закону Фарадея для електромагнітної індукції, розглянемо явище виникнення ЕРС індукції під час руху прямого провідника в однорідному магнітному полі.

Під час будь-якої зміни магнітного поля в навколишньому просторі виникає електричне поле. Це електричне поле приводить в рух вільні електричні заряди в контурі, викликаючи появу індукційного електричного струму. Його називають вихровим електричним полем.

Робота сил вихрового електричного поля з переміщення електричних зарядів і є роботою сторонніх сил, джерелом ЕРС індукції в замкненому контурі.

Явище електромагнітної індукції спостерігається і в тих випадках, коли магнітне поле не змінюється з часом, але і магнітний потік через контур змінюється через рух провідників контуру в магнітному полі. Тоді причиною виникнення ЕРС індукції буде не вихрове електричне поле, а сила Лоренца.

Нехай провідник довжиною l, що рухається зі швидкістю перпендикулярно до ліній однорідного магнітного поля з індукцією , за час Dt переміщується на відстань , описавши поверхню площею S = l (рис.4.4.16). Ураховуючи, що за цих умов Ф = BS, отримуємо з (4.4.4):

ei = – Bl .



Якщо вектори і розміщені під кутом один до одного, то


FK6.jpeg
Якщо вектори і розміщені під кутом один до одного, то

ei = – Blsin a.

Напрям індукційного струму в рухомому замкненому провіднику можна визначати за правилом правої руки. Якщо праву руку розташувати так, щоб лінії магнітної індукції входили в долоню, а великий відігнутий палець показував напрям швидкості руху провідника, то чотири пальці покажуть напрям індукційного струму.

Особливо великі індукційні струми виникають у масивних провідниках через їх малий опір. Ці струми названо струмами Фуко на честь французького фізика, який їх досліджував. Вихрові струми здебільшого шкідливі і тому, щоб зменшити їх вплив, вживають спеціальних заходів. Наприклад, у трансформаторах, електродвигунах суцільні деталі із заліза замінюють на виготовлені з окремих, тонких, ізольованих пластинок або проводів. Це збільшує опір для проходження вихрових струмів і зменшує нагрівання.

Нагрівання металів аж до їх плавлення у вакуумі використовують в індукційних печах, коли інші способи малопридатні.
ІІІ. Сприйняття і осмислення нового матеріалу






Предмети > Фізика і астрономія > Фізика 11 клас > Електромагнітна індукція. Магнітний потік. Закон електромагнітної індукції. Правила Ленца > Електромагнітна індукція. Магнітний потік. Закон електромагнітної індукції. Правила Ленца конспект уроку і опорний каркас