План-конспект урока по физике. Направление индукционного тока

Конспект 28. Электромагнитная индукция (ЭМИ).

5. Явление электромагнитной индукции

Определение. Магнитный поток – величина, характеризующая количество линий магнитной индукции, которые проходят через плоскую поверхность с заданной площадью (контур).
– внешний магнитный поток через контур, Вб
Где S – площадь контура, м²
α – угол между и перпендикуляром к контуру, град или рад

Явление электромагнитной индукции – явление возникновения индукционного тока в замкнутом проводнике (контуре), через который изменяется магнитный поток.
Механизм возникновения тока индукции:
1) Изменение магнитного потока приводит к возникновению вихревого электрического поля;
2) Вихревое (индукционное) электрическое поле действует на свободные заряды в контуре и разделяет их;
3) Разделение зарядов характеризуется ЭДС индукции, которая возникает в контуре;
4) При замкнутом контуре как следствие возникает ток индукции.
– закон электромагнитной индукции (ЭДС индукции в контуре), В
Где ∆t – интервал времени, с
– ЭДС индукции в катушке из N витков, В
– сила тока индукции в замкнутом контуре, А
Где R – сопротивление контура, Ом
– ЭДС индукции в двигающемся в МП прямом проводнике, В
Где l – длина проводника, м
υ – скорость движения проводника, м/с
α – угол между и , град или рад
Варианты возникновения ЭДС индукции:
1) Изменение вектора магнитной индукции .

2) Изменение площади контура ∆S :

3) Изменение угла α (поворот контура):

Замечание. На идее вращения рамки в магнитном поле основан принцип работы электрогенератора.
Правило Ленца (определение направления тока индукции). При изменении магнитного потока в контуре возникает ток, который препятствует изменению этого магнитного потока.
Алгоритм определения направления тока индукции:
1) Установить направлении линий магнитной индукции внешнего МП;
2) Выяснить, увеличивается или уменьшается поток внешнего МП через поверхность;
3) Установить направление магнитных линий индукционного тока по правилу Ленца: противоположно линиям внешнего поля при увеличении внешнего магнитного потока и одинаково направлены в случае уменьшения внешнего магнитного потока;
4) Определить направление тока индукции по правилу правой руки.

6. Явление самоиндукции

Явление самоиндукции – явление возникновения ЭДС индукции и индукционного тока в проводнике при изменении тока в нем.
Пояснение проявления самоиндукции:
1) При размыкании цепи основной ток в проводнике убывает, при этом согласно правилу Ленца возникает ЭДС самоиндукции и ток самоиндукции, который препятствует изменению магнитного потока в цепи. В итоге ток самоиндукции поддерживает основной ток, т.е. ток самоиндукции и основной ток сонаправлены;
2) При замыкании цепи по аналогичным рассуждениям ток самоиндукции противоположно направлен к основному току.
Замечание. Явление самоиндукции является частным случаем проявления электромагнитной индукции.
– ЭДС самоиндукции, В
Где ∆I – изменение силы тока в цепи, А
Определение. Индуктивность (L, ) – величина, характеризующая магнитные свойства проводника (катушки).
– собственный магнитный поток, который создает проводник с током, Вб
– энергия магнитного поля, Дж

Цели урока:

Учебная:

изучить закон электромагнитной индукции.

Развивающая:

1) формирование информационных компетенций;

2) развитие навыков самостоятельной работы с учебником;

3) совершенствование интеллектуальных способностей и мыслительных умений учащихся.

Воспитательная:

формирование коммуникативных качеств личностей.

Оборудование:

1. Дидактические карточки с вопросами для каждой группы.
2. Тестовые задания для каждой группы.
3. Приборы для демонстрации: гальванометр, катушка, магнит.

Краткий конспект урока

1. Организационный момент

Задача : создание благоприятного психологического настроя.

1. Актуализация опорных знаний

Задача : повторить и углубить знания, необходимые для изучения нового материала.

Приём обучения – эвристическая беседа;

Формы организации познавательной деятельности (ФОПД) – фронтальная;

Метод обучения – репродуктивный.

Повторение основных понятий по теме «Электромагнитная индукция, правило Ленца, магнитный поток».

В 1821 году великий английский учёный записал в своём дневнике: «Превратить магнетизм в электричество». Через 10 лет это задача была и решена.

Как называлось открытое Фарадеем физическое явление?

Работать будем в группах по 2-3 человека, каждая из которых получает задание.

На обдумывание по 1-2 минуты, после чего представители групп отчитываются по повторению.

Задача : повторить основные понятия.

• ФОПД – самостоятельная работа в группах.
• Метод обучения – исследовательский, индуктивный

Карточка №1:

Когда и кем было открыто явление электромагнитной индукции?

В чем заключается явление электромагнитной индукции?

Карточка №2:

Опыт Фарадея: установка, демонстрация.

При каком условии в замкнутом проводнике возникает ток?

Карточка №3:

Правило Ленца.

Карточка №4:

Какая физическая величина характеризует магнитное поле в каждой точке пространства?

Какая физическая величина характеризует распределение магнитного поля по поверхности, ограниченной замкнутым контуром?

Формула, единица измерения.

Карточка № 5-6:

Определить направление индукционного тока в замкнутом контуре.

Отчёты групп.

Задачи:

• развивать речевую культуру, умение обобщать материал, выделять главное.
• воспитывать нравственные качества личности, связанные со взаимоотношениями в классном коллективе.

Метод обучения – индуктивный

Приём обучений – эвристическая беседа

1. Изучение нового материала

Обобщить выводы, сделанные группами .

План:

1. От чего зависит сила индукционного тока в замкнутом проводнике?
2. Что называют ЭДС индукции?
3. Формулировка закона электромагнитной индукции.
4. Почему закон формулируется для ЭДС, а не для силы тока?
5. Что означает знак (-) в законе?
6. Как записать закон электромагнитной индукции, используя понятие производной?

Обобщённый план изучения явления:

• Внешние признаки явления;
• Условие его протекания;
• Экспериментальное воспроизведение явления;
• Механизм протекания явления;
• Количественные характеристики явления;
• Его объяснение на основе теорий;
• Практическое применение явлений;
• Влияние явления на человека и природу.

Для повторения и изучения явления электромагнитной индукции мы использовали метод научного познания. Его основы заложил в середине 16 века Галилео Галилей.

Схема метода :

• накопление фактов;
• построение теорий;
• опытное доказательство гипотезы;
• практическое применение теорий.

Метод научного познания позволяет объективно отражать действительность не только в физике, но и в других областях науки.

1. Решение задач.

На ЕГЭ:

Графические задачи (часть А)

Расчетные задачи (часть В, С)

Задача: получить информацию о степени усвоения материала.

ФОПД – индивидуальная

Прием обучения – упражнения

Задача:

На рисунке 1-3 изображены замкнутые проводящие рамки, помещенные в магнитное поле, линии магнитной индукции которого направлены к нам, перпендикулярно плоскости чертежа. Возникает ли индукционный ток в рамке?

1. Рефлексия:

Я научился …

Я узнал …

Я понял …

1. Домашнее задание (дифференцированно):

1.Сборник задач Г.Н. Степановой № 1128, 1129

Учебник по физике 11 класс (Мякишев Г.Я.) §11.

2.Либо составить 2 задачи, аналогичные частям А и Б, либо найти в пособиях, решить и объяснить. Слайд 2

Карточка №1: Когда и кем было открыто явление электромагнитной индукции? В чем заключается явление электромагнитной индукции?

Карточка №2: Опыт Фарадея: установка, демонстрация. При каком условии в замкнутом проводнике возникает ток?

Карточка №3: Правило Ленца

Карточка №4: Какая физическая величина характеризует магнитное поле в каждой точке пространства? Какая физическая величина характеризует распределение магнитного поля по поверхности, ограниченной замкнутым контуром? Формула, единица измерения.

Карточка № 5-6: Определить направление индукционного тока в замкнутом контуре

План: От чего зависит сила индукционного тока в замкнутом проводнике? Что называют ЭДС индукции? Формулировка закона электромагнитной индукции. Почему закон формулируется для ЭДС, а не для силы тока? Что означает знак (-) в законе? Как записать закон электромагнитной индукции, используя понятие производной?

Обобщённый план изучения явления: Внешние признаки явления; Условие его протекания; Экспериментальное воспроизведение явления; Механизм протекания явления; Количественные характеристики явления; Его объяснение на основе теорий; Практическое применение явлений; Влияние явления на человека и природу.

Схема метода: накопление фактов построение теорий опытное доказательство гипотезы практическое применение теорий

Задача: На рисунке 1-3 изображены замкнутые проводящие рамки, помещенные в магнитное поле, линии магнитной индукции которого направлены к нам, перпендикулярно плоскости чертежа. Возникает ли индукционный ток в рамке? 1) 2) 3)

Рефлексия: Я научился… Я узнал… Я понял…

ЗАКОН ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ. ПРАВИЛО ЛЕНЦА

В 1831 году английский ученый-физик М.Фарадей в своих 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 , 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 , 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 . 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 .

Классификация электромеханических генераторов

По типу первичного двигателя :

С 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)

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 = I amp sin(ωt); u = U amp sin(ωt)

С учётом начальной фазы:

i = I amp sin(ωt + ψ); u = U amp sin(ωt + ψ)

Здесь I amp и U amp - амплитудные значения тока и напряжения.

Амплитудное значение - максимальное по модулю мгновенное значение за период.

I amp = max|i(t)|; U amp = 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.Турбогенератор . Устройство и работа

Устройство и работа

Дизель-генератор. Устройство и работа

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?

Если электрический ток, как показали опыты Эрстеда, создает магнитное поле, то не может ли в свою очередь магнитное поле вызывать электрический ток в проводнике? Многие ученые с помощью опытов пытались найти ответ на этот вопрос, но первым решил эту задачу Майкл Фарадей (1791 - 1867).
В 1831 г. Фарадей обнаружил, что в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного поля возникает электрический ток. Этот ток назвали индукционным током.
Индукционный ток в катушке из металлической проволоки возникает при вдвигании магнита внутрь катушки и при выдвигании магнита из катушки (рис. 192),

а также при изменении силы тока во второй катушке, магнитное поле которой пронизывает первую катушку (рис. 193).

Явление возникновения электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменениях магнитного поля, пронизывающего контур, называется электромагнитной индукцией.
Появление электрического тока в замкнутом контуре при изменениях магнитного поля, пронизывающего контур, свидетельствует о действии в контуре сторонних сил неэлектростатической природы или о возникновении ЭДС индукции. Количественное описание явления электромагнитной индукции дается на основе установления связи между ЭДС индукции и физической величиной, называемой магнитным потоком.
Магнитный поток. Для плоского контура, расположенного в однородном магнитном поле (рис. 194), магнитным потоком Ф через поверхность площадью S называют величину, равную произведению модуля вектора магнитной индукции на площадь S и на косинус угла между вектором и нормалью к поверхности:

Правило Ленца. Опыт показывает, что направление индукционного тока в контуре зависит от того, возрастает или убывает магнитный поток, пронизывающий контур, а также от направления вектора индукции магнитного поля относительно контура. Общее правило, позволяющее определить направление индукционного тока в контуре, было установлено в 1833 г. Э. X. Ленцем.
Правило Ленца можно наглядно показать с помощью легкого алюминиевого кольца (рис. 195).

Опыт показывает, что при внесении постоянного магнита кольцо отталкивается от него, а при удалении притягивается к магниту. Результат опытов не зависит от полярности магнита.
Отталкивание и притяжение сплошного кольца объясняется возникновением индукционного тока в кольце при изменениях магнитного потока через кольцо и действием на индукционный ток магнитного поля. Очевидно, что при вдвигании магнита в кольцо индукционный ток в нем имеет такое направление, что созданное этим током магнитное поле противодействует внешнему магнитному полю, а при выдвигании магнита индукционный ток в нем имеет такое направление, что вектор индукции его магнитного поля совпадает по направлению с вектором индукции внешнего поля.
Общая формулировка правила Ленца: возникающий в замкнутом контуре индукционный ток имеет такое направление, что созданный им магнитный поток через площадь, ограниченную контуром, стремится компенсировать то изменение магнитного потока, которым вызывается данный ток.
Закон электромагнитной индукции. Экспериментальное исследование зависимости ЭДС индукции от изменения магнитного потока привело к установлению закона электромагнитной индукции: ЭДС индукции в замкнутом контуре пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром.
В СИ единица магнитного потока выбрана такой, чтобы коэффициент пропорциональности между ЭДС индукции и изменением магнитного потока был равен единице. При этом закон электромагнитной индукции формулируется следующим образом:

Явление электромагнитной индукции

1. Опыты Фарадея. Основной закон электромагнитной

индукции.

1. Опыты Фарадея. Основной закон электромагнитной индукции.

В 1831 году М. Фарадей многочисленными опытами установил, что в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока через поверхность, ограниченную данным контуром, возникает электрический ток.

Электромагнитная индукция (ЭМИ) – явление возникновения электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока через поверхность, ограниченную данным контуром.

Появление электрического тока (называемого индукционным током ) в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного поля, пронизывающего контур, свидетельствует о действии в контуре сторонних сил неэлектростатического происхождения или о возникновении ЭДС индукции .

Величина индукционного тока определяется скоростью изменения магнитного потока Ф , то есть значением , и не зависит от способа изменения магнитного потока Ф . При изменении знака меняется также направление индукционного тока.

Общее правило, по которому можно определить направление индукционного тока и которое является следствием закона сохранения и превращения энергии, было сформулировано Э.Х. Ленцем.

Правило Ленца : индукционный ток в замкнутом проводящем контуре всегда имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению внешнего магнитного потока, вызвавшего этот индукционный ток. Или короче: индукционный ток всегда направлен так, чтобы противодействовать вызвавшей его причине.

Индукционный ток, как и всякий электрический ток, может течь в цепи только при наличии в ней электродвижущей силы. Фарадей установил, что величина ЭДС индукции прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока.

Основной закон ЭМИ Фарадея : ЭДС индукции в проводящем контуре прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром:

Знак минус служит математическим выражением правила Ленца, то есть указывает на то, что электродвижущая сила противодействует происходящему изменению магнитного потока.

Если контур, в котором индуцируется ЭДС, состоит из N одинаковых витков, то ЭДС такого контура будет равна сумме ЭДС индукции в каждом из витков в отдельности:

Механизмы возникновения ЭДС индукции :

– действие силы Лоренца на заряды в движущемся проводнике;

– действие вихревого электрического поля на заряды в проводнике.

ЭДС индукции, возникающая в линейном проводнике, движущемся в магнитном поле:

Индукционные токи возникают не только в линейных проводниках, но и в массивных сплошных проводниках. Эти токи оказываются замкнутыми внутри проводника и поэтому называются вихревыми токами или токами Фуко .

Вихревые токи вследствие малого сопротивления сплошного проводника могут достигать очень большой силы. Тепловое действие их используется в индукционных печах для нагрева при закалке деталей. Tоки Фуко подчиняются правилу Ленца, поэтому движущиеся в сильном магнитном поле хорошие проводники испытывают сильное торможение, обусловленное взаимодействием вихревых токов с магнитным полем. Этим пользуются для успокоения подвижных частей гальванометров и других приборов. Во многих случаях токи Фуко бывают нежелательными, и для борьбы с ними приходится принимать специальные меры (например, сердечники трансформаторов набираются из тонких пластин).

2. Самоиндукция. Взаимная индукция.

Явление самоиндукции – это частный случай электромагнитной индукции. Данное явление состоит в возникновении ЭДС индукции в проводнике вследствие изменения магнитного потока, обусловленного электрическим током в этом же проводнике.

Самоиндукция – явление возникновения ЭДС индукции в проводнике при изменении в нём силы тока.

Электрический ток в контуре создаёт вокруг себя магнитное поле, индукция В которого, по закону Био-Савара-Лапласа при постоянной магнитной проницаемости, неизменной форме и ориентации контура в пространстве, пропорциональна силе тока I :

В ~ I .

Магнитный поток Ф через контур пропорционален по определению индукции В : Ф ~ В .

Поэтому магнитный поток через контур пропорционален силе тока в контуре:

Коэффициент пропорциональности L называется индуктивностью контура . Индуктивность зависит от размеров и формы проводника, магнитной проницаемости той среды, в которой он находится. В системе СИ:

ЭДС самоиндукции , возникающая в контуре с индуктивностью L , по закону ЭМИ равна:

ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна индуктивности и скорости изменения силы тока в контуре. Знак минус выражает правило Ленца: при возрастании силы тока ЭДС самоиндукции направлена навстречу ему, а при убывании – поддерживает ток в том же направлении.

Явление самоиндукции проявляется при всяком изменении силы тока и поэтому играет очень важную роль в цепях переменного тока и в процессах электромагнитных колебаний.

Явление самоиндукции можно наблюдать, собрав следующую электрическую цепь.

При включении источника тока лампа Л 1 вспыхивает мгновенно, а лампа Л 2 – через некоторый промежуток времени.

При отключении источника тока обе лампы Л 1 и Л 2 гаснут через некоторый промежуток времени.

Токи самоиндукции, возникающие в цепи постоянного тока в моменты замыкания и размыкания цепи, называются экстратоками замыкания и размыкания .

Ток при замыкании цепи меняется по закону:

а при размыкании цепи – по закону:

где R – сопротивление цепи, – установившийся ток.

При отключении источника ток в цепи возникает под действием ЭДС самоиндукции. Источником энергии, выделяющейся при этом в электрической цепи, является магнитное поле катушки. Энергия магнитного поля равна работе, которая затрачивается током на создание этого поля:

Следовательно, энергия магнитного поля будет равна:

Явление взаимной индукции – это другой частный случай электромагнитной индукции.

Взаимная индукция – явление возникновения ЭДС индукции в контуре, находящемся в магнитном поле другого контура с переменным током.

При протекании в контуре 1 тока I 1 в контуре 2 возникает ЭДС индукции:

Аналогично, при протекании в контуре 2 тока I 2 в контуре 1 возникает ЭДС индукции:

Коэффициенты пропорциональности , Гн называются взаимной индуктивностью контуров . Они зависят от размеров, формы, расположения контуров и от магнитной проницаемости среды, в которой находятся контуры.

На явлении взаимной индукции основан принцип действия трансформатора.

Трансформатор – устройство, применяемое для повышения или понижения напряжения переменного тока (Яблочков П.Н. , 1878 г.).

Первичная обмотка Вторичная обмотка

N 1 ← число витков → N 2

Отношение называют коэффициентом трансформации .

При k 1 трансформатор является повышающим , а при k – понижающим .

3. Принцип действия генератора тока.

Генератор тока – устройство, предназначенное для преобразования механической энергии в энергию электрического тока.

Принцип действия генератора тока, основанного на явлении ЭМИ, можно рассмотреть на примере плоской рамки, вращающейся в однородном магнитном поле между полюсами магнита.

Магнитный поток через площадь S рамки:

, ω – угловая скорость вращения рамки.

ЭДС индукции в рамке:

– амплитуда колебаний ЭДС.

Для усиления эффекта используются рамки с большим числом витков N . Тогда:

ЭДС индукции меняется по закону синуса.

Итоги занятия

Контрольные вопросы

1. В чем заключается явление электромагнитной индукции? Проанализируйте опыты Фарадея.

2. Что является причиной возникновения ЭДС индукции в замкнутом проводящем контуре?

3. Почему для обнаружения индукционного тока лучше использовать замкнутый проводник в виде катушки, а не в виде одного витка провода?

4. Сформулируйте правило Ленца, проиллюстрировав его примерами.

5. Что такое вихревые токи (токи Фуко)? Вредны они или полезны?

6. Почему сердечники трансформаторов не делают сплошными?

7. В чем заключаются явления самоиндукции и взаимной индукции?

8. Какая физическая величина выражается в генри? Дайте определение генри.

9. Что такое генератор тока?

10. Выведите выражение для ЭДС индукции в плоской рамке, равномерно вращающейся в однородном магнитном поле. За счет чего ее можно увеличить?