Урок явление самоиндукции. Тема урока: «Явление самоиндукции

На данном уроке мы узнаем, как и кем было открыто явление самоиндукции, рассмотрим опыт, с помощью которого продемонстрируем это явление, определим, что самоиндукция - это частный случай электромагнитной индукции. В конце урока введем физическую величину, показывающую зависимость ЭДС самоиндукции от размеров и формы проводника и от среды, в которой находится проводник, т. е. индуктивность.

Генри изобретал плоские катушки из полосовой меди, с помощью которых добивался силовых эффектов, выраженных более ярко, чем при использовании проволочных соленоидов. Ученый заметил, что при нахождении в цепи мощной катушки ток в этой цепи достигает своего максимального значения гораздо медленнее, чем без катушки.

Рис. 2. Схема экспериментальной установки Д. Генри

На рис. 2 изображена электрическая схема экспериментальной установки, на основе которой можно продемонстрировать явление самоиндукции. Электрическая цепь состоит из двух параллельно соединенных лампочек, подключенных через ключ к источнику постоянного тока. Последовательно с одной из лампочек подключена катушка. После замыкания цепи видно, что лампочка, которая соединена последовательно с катушкой, загорается медленнее, чем вторая лампочка (рис. 3).

Рис. 3. Различный накал лампочек в момент включения цепи

При отключении источника лампочка, подключенная последовательно с катушкой, гаснет медленнее, чем вторая лампочка.

Почему лампочки гаснут не одновременно

При замыкании ключа (рис. 4) из-за возникновения ЭДС самоиндукции ток в лампочке с катушкой нарастает медленнее, поэтому эта лампочка загорается медленнее.

Рис. 4. Замыкание ключа

При размыкании ключа (рис. 5) возникающая ЭДС самоиндукции мешает убыванию тока. Поэтому ток еще некоторое время продолжает течь. Для существования тока нужен замкнутый контур. Такой контур в цепи есть, он содержит обе лампочки. Поэтому при размыкании цепи лампочки должны некоторое время светиться одинаково, и наблюдаемое запаздывание может быть вызвано другими причинами.

Рис. 5. Размыкание ключа

Рассмотрим процессы, происходящие в данной цепи при замыкании и размыкании ключа.

1. Замыкание ключа.

В цепи находится токопроводящий виток. Пусть ток в этом витке течет против часовой стрелки. Тогда магнитное поле будет направлено вверх (рис. 6).

Таким образом, виток оказывается в пространстве собственного магнитного поля. При возрастании тока виток окажется в пространстве изменяющегося магнитного поля собственного тока. Если ток возрастает, то созданный этим током магнитный поток также возрастает. Как известно, при возрастании магнитного потока, пронизывающего плоскость контура, в этом контуре возникает электродвижущая сила индукции и, как следствие, индукционный ток. По правилу Ленца, этот ток будет направлен таким образом, чтобы своим магнитным полем препятствовать изменению магнитного потока, пронизывающего плоскость контура.

То есть для рассматриваемого на рис. 6 витка индукционный ток должен быть направлен по часовой стрелке (рис. 7), тем самым препятствуя нарастанию собственного тока витка. Следовательно, при замыкании ключа ток в цепи возрастает не мгновенно благодаря тому, что в этой цепи возникает тормозящий индукционный ток, направленный в противоположную сторону.

2. Размыкание ключа

При размыкании ключа ток в цепи уменьшается, что приводит к уменьшению магнитного потока сквозь плоскость витка. Уменьшение магнитного потока приводит к появлению ЭДС индукции и индукционного тока. В этом случае индукционный ток направлен в ту же сторону, что и собственный ток витка. Это приводит к замедлению убывания собственного тока.

Вывод: при изменении тока в проводнике возникает электромагнитная индукция в этом же проводнике, что порождает индукционный ток, направленный таким образом, чтобы препятствовать любому изменению собственного тока в проводнике (рис. 8). В этом заключается суть явления самоиндукции. Самоиндукция - это частный случай электромагнитной индукции.

Рис. 8. Момент включения и выключения цепи

Формула для нахождения магнитной индукции прямого проводника с током:

где - магнитная индукция; - магнитная постоянная; - сила тока; - расстояние от проводника до точки.

Поток магнитной индукции через площадку равен:

где - площадь поверхности, которая пронизывается магнитным потоком.

Таким образом, поток магнитной индукции пропорционален величине тока в проводнике.

Для катушки, в которой - число витков, а - длина, индукция магнитного поля определяется следующим соотношением:

Магнитный поток, созданный катушкой с числом витков N , равен:

Подставив в данное выражение формулу индукции магнитного поля, получаем:

Отношение числа витков к длине катушки обозначим числом :

Получаем окончательное выражение для магнитного потока:

Из полученного соотношения видно, что значение потока зависит от величины тока и от геометрии катушки (радиус, длина, число витков). Величина, равная , называется индуктивностью:

Единицей измерения индуктивности является генри:

Следовательно, поток магнитной индукции, вызванный током в катушке, равен:

С учетом формулы для ЭДС индукции , получаем, что ЭДС самоиндукции равна произведению скорости изменения тока на индуктивность, взятому со знаком «-»:

Самоиндукция - это явление возникновения электромагнитной индукции в проводнике при изменении силы тока, протекающего сквозь этот проводник.

Электродвижущая сила самоиндукции прямо пропорциональна скорости изменения тока, протекающего сквозь проводник, взятой со знаком минус. Коэффициент пропорциональности называется индуктивностью , которая зависит от геометрических параметров проводника.

Проводник имеет индуктивность, равную 1 Гн, если при скорости изменения тока в проводнике, равной 1 А в секунду, в этом проводнике возникает электродвижущая сила самоиндукции, равная 1 В.

С явлением самоиндукции человек сталкивается ежедневно. Каждый раз, включая или выключая свет, мы тем самым замыкаем или размыкаем цепь, при этом возбуждая индукционные токи. Иногда эти токи могут достигать таких больших величин, что внутри выключателя проскакивает искра, которую мы можем увидеть.

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.

Интернет-портал Myshared.ru ().
Интернет-портал Physics.ru ().
Интернет-портал Festival.1september.ru ().

Домашнее задание

Вопросы в конце параграфа 15 (стр. 45) - Мякишев Г.Я. Физика 11 (см. список рекомендованной литературы)
Индуктивность какого проводника равна 1 Генри?

Явление самоиндукции.
Э.д.с. самоиндукции.
Энергия магнитного поля.

Цель:
Образовательные:
1. Обеспечить в ходе урока усвоение (повторение, закрепление) и изучение
следующих основных понятий, законов, теорий, научных фактов: что такое
самоиндукция, э.д.с. самоиндукции, нахождение энергии магнитного поля, график
зависимости магнитного потока от силы тока.
2. Проверить степень усвоения знаний.
Воспитательные:
1.
2. Изучить положение, принципы.
Задачи развития:
1.
Познавательность мира и его закономерностей
Развивать у учащихся умение выделять главное, существенное в изученном
материале, сравнивать, обобщать, логически излагать свои мысли.
2. Развить умение анализировать полученные знания, профессиональные умения.

План урока.
1.Явление самоиндукции. Определение самоиндукции. Э.д.с. самоиндукции.
2.Энергия магнитного поля. График зависимости магнитного потока от силы тока.
Самоиндукция
1. Самоиндукция
R
Рассмотрим цепь, состоящую из батареи, реостата R, катушки индуктивности L,
гальванометра Г и ключа К.
Если цепь замкнута, то по гальванометру Г и катушке индуктивности L протекает
электрический ток. В момент размыкания цепи стрелка гальванометра резко
отклоняется в обратную сторону. Это происходит потому, что при размыкании цепи
магнитный поток в катушке уменьшается, вызывая в ней э. д. с. самоиндукции. Ток
самоиндукции
, в соответствий с законом Ленца, препятствует убыванию
cиI
магнитного потока, т. е. он направлен в катушке так же, как и убывающий ток
2I
ток целиком проходит через гальванометр; но его направление противоположно
направлению
. Явление возникновения индуцированного тока в цепи в результате
. Этот
1I
изменения тока в этой цепи называют само
индукцией.

Самоиндукция - это частный случай явлений электромагнитной индукции.

Выясним, от чего зависит э. д. с. самоиндукций. Индукция В пропорциональна
силе тока в катушке, поэтому магнитный ПОТОК, возникающий в катушке, также
пропорционален силе тока:
Ф=LI.
Коэффициент пропорциональности L называют индуктивностью контура.
При изменении собственного; магнитного потока в контуре, согласно закону
электромагнитной индукции, возникает э. д. с. самоиндукции

си

Ф

t
Подставляя в выражение
формулу Ф=LI, находим; что э. д. с.

си

Ф

t
самоиндукции пропорциональна скорости изменения силы тока:

си
L

I

t
2. Энергия магнитного поля
Энергия магнитного поля тока
Рассмотрим цепь
, состоящую из батареи Б, резистора
R, соленоида L, ключа К. Если ключ находится в положении 1, то через соленоид
протекает постоянный по значению и направлению ток I0. Всякий электрический ток
всегда окружен магнитным полем. Возникает вопрос: где локализована собственная
энергия тока - внутри проводов, по которым дрейфуют или в магнитном поле, т.е. в
среде, окружающей токи? Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим, что будет
происходить, если ключ разомкнуть и перевести в положеиие 2. В этом случае через
резистор R некоторое время будет течь убывающий до нуля ток, поддерживаемый
возникающим током самоиндукции, и происходит превращение энергии магнитного
поля тока главным образом в энергию молекулярнотеплового движения - нагревание
сопротивления. Значит, уменьшение энергии магнитного поля можно вычислить как
работу этого тока:
W = A . Так как собственный магнитный поток Ф = LI,

пронизывающий соленоид, пропорционален силе тока, то зависимость Ф от I может быть
изображена в виде, представленном на рис.

Площадь заштрихованной узкой полоски с основанием
I соответствует

элементарной работе
А, совершаемой током, при изменении его значения на

Полная работа А, совершаемая током, равна сумме элементарных работ
A и численно
I.


равна площади треугольника ОАВ:
А 
00IФ
2
Учитывая, что
, формулу
Ф 
0
LI
0
А 
можно переписать в виде
A 
.
2
0LI
2
00IФ
2
В процессе совершения этой работы энергия магнитного поля уменьшается до
нуля (так как ток убывает от значения до нуля). Поскольку при этом никаких
изменений в окружающих электрическую цепь телах не происходит, следует вывод:
магнитное поле является носителем энергии.
Итак, собственная энергия тока равна энергии магнитного поля:

2LI
2
справедлива для любого контура, она характеризует
Wм 
Формула
Wм 
2LI
2
зависимость энергии магнитного поля тока от силы тока в контуре и его индуктивности.

Вопросы для самопроверки.
1. Охарактеризуйте цепь, в которой возникает э.д.с. самоиндукции.
2. Что называют самоиндукцией?
3. Дайте характеристику отношения уменьшения энергии магнитного поля к
работе тока.
4. Изобразите график работы, и охарактеризуйте его.
5. Воспроизведите формулу нахождения энергии магнитного поля, дайте ее
характеристику.
Задачи для самопроверки.
1) Определите э.д.с. самоиндукции, если изменение силы тока равно 4,2 А,
изменение времени 40 мс, а индуктивность контура 0,37 Гн.
(Ответ: Э.д.с.=38,85 В)
2) Определите индуктивность контура, если известно, что изменение силы тока
равно 5,4 А, изменение времени – 57 мс, а э.д.с. самоиндукции равно 27 В.
(Ответ: L=0,285 Гн)
3) Определите, чему равна энергия магнитного поля, если индуктивность контура
равна 0,74 Гн, а сила тока – 25 А.
(Ответ:
Дж)
25.231mW

Литература
Дмитриева В.Ф. Физика: Учеб. пособие для техникумов./ Под ред. В.Л. Прокофьева,
– 4е изд., стер. – М.: Высш. шк., 2001. – 415 с.: ил. ISBN 5060036685

Цель урока : сформировать представление о том, что изменение силы тока в проводнике создает вихревое воле, которое может или ускорять или тормозить движущиеся электроны.

Ход урока

Проверка домашнего задания методом индивидуального опроса

1. Получить формулу для вычисления электродвижущей силы индукции для проводника, движущегося в магнитном поле.

2. Вывести формулу для вычисления электродвижущей силы индукции, используя закон электромагнитной индукции.

3. Где применяется и как устроен электродинамический микрофон?

4. Задача. Сопротивление проволочного витка равно 0,03 Ом. Магнитный поток уменьшается внутри витка на 12 мВб. Какой электрический заряд проходит через поперечное сечение витка?

Решение. ξi=ΔФ/Δ t; ξi= Iiʹ·R; Ii =Δq/Δt; ΔФ/Δt = Δq R/Δt; Δq = ΔФΔt/ RΔt; Δq= ΔФ/R;

Изучение нового материала

1. Самоиндукция.

Если по проводнику идет переменный ток, то он создает ЭДС индукции в этом же проводнике – это явление

Самоиндукции. Проводящий контур играет двоякую роль: по нему идет ток, в нем же создается ЭДС индукции этим током.

На основании правила Ленца; когда ток увеличивается, напряженность вихревого электрического поля, направлена против тока, т.е. препятствует его увеличению.

Во время уменьшения тока вихревое поле его поддерживает.

Рассмотрим схему на которой видно, что сила тока достигает определенного

значения постепенно, через какое – то время.

Демонстрация опытов со схемами. С помощью первой цепи покажем, как появляется ЭДС индукции при замыкании цепи.

При замыкании ключа первая лампа загорается мгновенно, вторая с опозданием, из-за большой самоиндукции в цепи, которую создает катушка с сердечником.

С помощью второй цепи продемонстрируем появление ЭДС индукции при размыкании цепи.

В момент размыкания через амперметр, пойдет ток направленный,против начального тока.

При размыкании сила тока может превысить первоначальное значение тока. Значит, ЭДС самоиндукции может быть больше ЭДС источника тока.

Провести аналогию между инерцией и самоиндукцией

Индуктивность.

Магнитный поток пропорционален величине магнитной индукции и силе тока. Ф~B~I.

Ф= L I; где L- коэффициент пропорциональности между током и магнитным потоком.

Данный коэффициент называют чаще индуктивностью контура или коэффициентом самоиндукции.

Используя величину индуктивности, закон электромагнитной индукции можно записать так:

ξis= – ΔФ/Δt = – L ΔI/Δt

Индуктивность – это физическая величина, численно равная ЭДС самоиндукции, возникающий в контуре при изменении силы тока на 1 А за 1 с.

Измеряют индуктивность в генри (Гн) 1 Гн = 1 В с/А

О значении самоиндукции в электротехнике и радиотехнике.

Вывод: когда по проводнику идет изменяющийся ток появляется вихревое электрическое поле.

Вихревое поле тормозит свободные электроны при увеличении тока и поддерживает его при уменьшении.

Закрепление изученного материала.

– Как объяснить явление самоиндукции?

– Провести аналогию между инерцией и самоиндукцией.

– Что такое индуктивность контура, в каких единицах измеряется индуктивность?

– Задача. При силе тока в 5 А в контуре возникает магнитный поток 0,5 мВб. Чему будет равна индуктивность контура?

Решение. ΔФ/Δt = – L ΔI/Δt; L = ΔФ/ΔI; L =1 ·10-4Гн

Подведем итоги урока

Домашнее задание: §15, повт. §13, упр. 2 № 10

Цель урока: сформулировать количественный закон электромагнитной индукции; учащиеся должны усвоить, что такое ЭДС магнитной индукции и что такое магнитный поток. Ход урока Проверка домашнего задания...
Цель урока: сформировать у учащихся представление о существовании сопротивления только в цепи переменного тока – это емкостное и индуктивное сопротивления. Ход урока Проверка домашнего задания...
Цель урока: сформировать представление об энергии, которой обладает электрический ток в проводнике и энергии магнитного поля, созданного током. Ход урока Проверка домашнего задания методом тестирования...
Цель урока: ввести понятие электродвижущей силы; получить закон Ома для замкнутой цепи; создать у учащихся представление о различии между ЭДС, напряжением и разностью потенциалов. Ход...
Цель урока: сформировать у учащихся представление об активном сопротивлении в цепи переменного тока, и о действующем значении силы тока и напряжения. Ход урока Проверка домашнего...
Цель урока: сформировать понятие, что ЭДС индукции может возникать или в неподвижном проводнике, помещенном в изменяющееся магнитное поле, или в движущемся проводнике, находящемся в постоянном...
Цель урока: выяснить, как произошло открытие электромагнитной индукции; сформировать понятие об электромагнитной индукции, значение открытия Фарадея для современной электротехники. Ход урока 1. Анализ контрольной работы...
Цель урока: рассмотреть устройство и принцип действия трансформаторов; привести доказательства, что электрический ток никогда не имел бы такого широкого применения, если бы в свое время...
Цель урока: выяснить, какой причиной вызвана ЭДС индукции в движущихся проводниках, помещенных в постоянное магнитное поле; подвести учащихся к выводу, что действует на заряды сила...
Цель урока: контроль усвоения, учащимися изученной темы, развитие логического мышления, совершенствование вычислительных навыков. Ход урока Организация учащихся на выполнение контрольной работы Вариант 1 №1. Явление...
Цель урока: сформировать у учащихся представление об электрическом и магнитном поле, как об едином целом – электромагнитном поле. Ход урока Проверка домашнего задания методом тестирования...
Цель урока: проверить знания учащихся по вопросам изученной темы, совершенствовать навыки решения задач различных видов. Ход урока Проверка домашнего задания Ответы учащихся по подготовленным дома...
Цель урока: повторить и обобщить знания по пройденной теме; совершенствовать умение логически мыслить, обобщать, решать качественные и расчетные задачи. Ход урока Проверка домашнего задания 1....
Цель урока: доказать учащимся, что свободные электромагнитные колебания в контуре не имеют практического применения; используются незатухающие вынужденные колебания, которые имеют большое применение на практике. Ход...
Цель урока: сформировать понятие о модуле магнитной индукции и силе Ампера; уметь решать задачи на определение этих величин. Ход урока Проверка домашнего задания методом индивидуального...

Если ток в контуре изменяется, то изменяется магнитное поле этого тока и собственный магнитный поток, пронизывающий контур. Если ток в контуре изменяется, то изменяется магнитное поле этого тока и собственный магнитный поток, пронизывающий контур. В контуре возникает ЭДС индукции, которая согласно правилу Ленца препятствует изменению тока в контуре. В контуре возникает ЭДС индукции, которая согласно правилу Ленца препятствует изменению тока в контуре.

САМОИНДУКЦИЯ Самоиндукция – это явление возникновения ЭДС индукции в контуре при изменении электрического тока в этом же контуре. Самоиндукция – это явление возникновения ЭДС индукции в контуре при изменении электрического тока в этом же контуре. Самоиндукция является важным частным случаем электромагнитной индукции. Самоиндукция является важным частным случаем электромагнитной индукции.

ИНДУКТИВНОСТЬ Собственный магнитный поток Φ, пронизывающий контур или катушку с током, пропорционален силе тока I. Собственный магнитный поток Φ, пронизывающий контур или катушку с током, пропорционален силе тока I. Коэффициент пропорциональности L в этой формуле называется коэффициентом самоиндукции или индуктивностью катушки.

ИНДУКТИВНОСТЬ Единица индуктивности в СИ называется генри (Гн). Единица индуктивности в СИ называется генри (Гн). Индуктивность контура или катушки равна 1 Гн, если при силе постоянного тока 1 А собственный поток равен 1 Вб. Индуктивность контура или катушки равна 1 Гн, если при силе постоянного тока 1 А собственный поток равен 1 Вб. 1 Гн = 1 Вб / 1 А

САМОИНДУКЦИЯ ЭДС самоиндукции, возникающая в катушке с постоянным значением индуктивности, равна ЭДС самоиндукции, возникающая в катушке с постоянным значением индуктивности, равна ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна индуктивности катушки и скорости изменения силы тока в ней. ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна индуктивности катушки и скорости изменения силы тока в ней.

Магнитная энергия. При размыкании ключа лампа ярко вспыхивает. При размыкании ключа лампа ярко вспыхивает. Ток в цепи возникает под действием ЭДС самоиндукции. Источником энергии, выделяющейся при этом в электрической цепи, является магнитное поле катушки.

Магнитная энергия. Из закона сохранения энергии следует, что вся энергия, запасенная в катушке, выделится в виде джоулева тепла. Если обозначить через R полное сопротивление цепи, то за время Δt выделится количество теплоты Из закона сохранения энергии следует, что вся энергия, запасенная в катушке, выделится в виде джоулева тепла. Если обозначить через R полное сопротивление цепи, то за время Δt выделится количество теплоты ΔQ = I 2 RΔt
Магнитная энергия. Изобразим на графике зависимость магнитного потока Φ(I) от тока I Изобразим на графике зависимость магнитного потока Φ(I) от тока I Полное количество выделившейся теплоты, равное первоначальному запасу энергии магнитного поля, определяется площадью треугольника. ФI/2

Тема: Самоиндукция. Индуктивность.

Ход урока

Проверка домашнего задания методом индивидуального опроса

2. Вывести формулу для вычисления электродвижущей силы индукции, используя закон электромагнитной индукции.

3. Где применяется и как устроен электродинамический микрофон?

Решение. ξi=ΔФ/Δ t; ξi= Iiʹ·R; Ii =Δq/Δt; ΔФ/Δt = Δq R/Δt; Δq = ΔФΔt/ RΔt; Δq= ΔФ/R;

Δq=400 мКл

Изучение нового материала

1. Самоиндукция.

Если по проводнику идет переменный ток, то он создает ЭДС индукции в этом же проводнике – это явление самоиндукции. Проводящий контур играет двоякую роль: по нему идет ток, в нем же создается ЭДС индукции этим током.

Во время уменьшения тока вихревое поле его поддерживает.

Рассмотрим схему на которой видно, что сила тока достигает определенного

значения постепенно, через какое – то время.

R Л1 L

L Л2 R A

С помощью второй цепи продемонстрируем появление ЭДС индукции при размыкании цепи.

В момент размыкания через амперметр, пойдет ток направленный,против начального тока.

Провести аналогию между инерцией и самоиндукцией

Индуктивность.

Магнитный поток пропорционален величине магнитной индукции и силе тока. Ф~B~I.

Ф= L I; где L- коэффициент пропорциональности между током и магнитным потоком.

Данный коэффициент называют чаще индуктивностью контура или коэффициентом самоиндукции.

Используя величину индуктивности, закон электромагнитной индукции можно записать так:

ξis= - ΔФ/Δt = - L ΔI/Δt

Индуктивность - это физическая величина, численно равная ЭДС самоиндукции, возникающий в контуре при изменении силы тока на 1 А за 1 с.

Измеряют индуктивность в генри (Гн) 1 Гн = 1 В с/А

О значении самоиндукции в электротехнике и радиотехнике.

Вывод: когда по проводнику идет изменяющийся ток появляется вихревое электрическое поле.

Вихревое поле тормозит свободные электроны при увеличении тока и поддерживает его при уменьшении.

Закрепление изученного материала.

- Как объяснить явление самоиндукции?

- Провести аналогию между инерцией и самоиндукцией.

- Что такое индуктивность контура, в каких единицах измеряется индуктивность?

- Задача. При силе тока в 5 А в контуре возникает магнитный поток 0,5 мВб. Чему будет равна индуктивность контура?

Решение. ΔФ/Δt = - L ΔI/Δt; L = ΔФ/ΔI; L =1 ·10-4Гн

Подведем итоги урока

Домашнее задание: §15, повт. §13, упр. 2 № 10