Jeśli zmiany pole magnetyczne tak się nie stanie, to nie będzie żadnego prąd elektryczny. Nawet jeśli istnieje pole magnetyczne. Można powiedzieć, że indukowany prąd elektryczny jest wprost proporcjonalny, po pierwsze, do liczby zwojów, a po drugie, do prędkości pola magnetycznego, z jaką zmienia się to pole magnetyczne względem zwojów cewki.
Ryż. 3. Od czego zależy wielkość prądu indukcyjnego?
Aby scharakteryzować pole magnetyczne, stosuje się wielkość zwaną strumieniem magnetycznym. Charakteryzuje pole magnetyczne jako całość; porozmawiamy o tym w następnej lekcji. Na razie zauważmy, że jest to zmiana strumień magnetyczny, tj. liczba linii pola magnetycznego przenikających obwód przewodzący prąd (na przykład cewkę) prowadzi do pojawienia się prądu indukcyjnego w tym obwodzie.
Fizyka. 9 klasa
Temat: Pole elektromagnetyczne
Lekcja 44 Strumień magnetyczny
Eryutkin E.S., nauczyciel fizyki najwyższa kategoria Szkoła średnia GOU nr 1360
Wstęp. Eksperymenty Faradaya
Kontynuując nasze badanie tematu „Indukcja elektromagnetyczna”, przyjrzyjmy się bliżej takiej koncepcji jak strumień magnetyczny.
Wiesz już, jak wykryć to zjawisko Indukcja elektromagnetyczna- w przypadku skrzyżowania zamkniętego przewodu linie magnetyczne, w tym przewodniku powstaje prąd elektryczny. Prąd ten nazywa się indukcją.
Porozmawiajmy teraz, jak powstaje ten prąd elektryczny i co jest ważne, aby ten prąd się pojawił.
Przede wszystkim zwróćmy się do Eksperyment Faradaya i spójrz jeszcze raz na jego ważne cechy.
Mamy więc amperomierz, cewkę z duża liczba zwojów, który jest zwarty do tego amperomierza.
Bierzemy magnes i tak jak na poprzedniej lekcji opuszczamy ten magnes do wnętrza cewki. Strzałka odbiega, to znaczy w tym obwodzie występuje prąd elektryczny.
Ryż. 1. Doświadczenie w wykrywaniu prądu indukcyjnego.
Ale kiedy magnes znajduje się wewnątrz cewki, w obwodzie nie ma prądu elektrycznego. Ale gdy tylko spróbujesz usunąć ten magnes z cewki, w obwodzie ponownie pojawi się prąd elektryczny, ale kierunek tego prądu zmienia się na przeciwny.
Należy również pamiętać, że wartość prądu elektrycznego płynącego w obwodzie zależy również od właściwości samego magnesu. Jeśli weźmiesz inny magnes i wykonasz ten sam eksperyment, wartość prądu zmieni się znacząco, w w tym przypadku prąd staje się mniejszy.
Po przeprowadzeniu eksperymentów możemy stwierdzić, że prąd elektryczny powstający w zamkniętym przewodniku (w cewce) jest związany z polem magnetycznym trwały magnes.
Innymi słowy, prąd elektryczny zależy od pewnej charakterystyki pola magnetycznego. I już wprowadziliśmy taką cechę - Indukcja magnetyczna.
Przypomnijmy, że indukcja magnetyczna jest oznaczona literą, to jest - wielkość wektorowa. Indukcję magnetyczną mierzy się w Teslach.
⇒ - Tesla - na cześć europejskiego i amerykańskiego naukowca Nikoli Tesli.
Indukcja magnetyczna charakteryzuje wpływ pola magnetycznego na przewodnik z prądem umieszczony w tym polu.
Ale kiedy mówimy o prądzie elektrycznym, musimy zrozumieć, że prąd elektryczny, jak wiecie z ósmej klasy, powstaje pod wpływem pole elektryczne.
Można zatem stwierdzić, że elektryka prąd indukowany pojawia się pod wpływem pola elektrycznego, które z kolei powstaje w wyniku działania pola magnetycznego. I tę relację właśnie osiąga się poprzez strumień magnetyczny.
Jeśli w polu magnetycznym znajduje się zamknięty obwód przewodzący, który nie zawiera źródeł prądu, to gdy zmienia się pole magnetyczne, w obwodzie pojawia się prąd elektryczny. Zjawisko to nazywa się indukcją elektromagnetyczną. Pojawienie się prądu wskazuje na pojawienie się pola elektrycznego w obwodzie, które może zapewnić ruch zamknięty ładunki elektryczne lub innymi słowy o występowaniu pola elektromagnetycznego. Pole elektryczne powstające, gdy zmienia się pole magnetyczne i którego praca podczas przemieszczania ładunków w obwodzie zamkniętym nie jest równa zeru, ma zamknięte linie siły i nazywa się polem wirowym.
Dla opis ilościowy Indukcja elektromagnetyczna wprowadza koncepcję strumienia magnetycznego (lub strumienia wektora indukcji magnetycznej) przez zamkniętą pętlę. Dla płaskiego obwodu znajdującego się w jednolitym polu magnetycznym (i tylko takie sytuacje mogą spotkać uczniów w jednym Egzamin państwowy), strumień magnetyczny definiuje się jako
gdzie jest indukcją pola, jest polem konturu, jest kątem między wektorem indukcji a normalną (prostopadłą) do płaszczyzny konturu (patrz rysunek; prostopadłość do płaszczyzny konturu jest zaznaczona linią przerywaną). Jednostka strumienia magnetycznego w systemie międzynarodowym Jednostką miary w SI jest Weber (Wb), który definiuje się jako strumień magnetyczny przechodzący przez kontur o powierzchni 1 m 2 jednolitego pola magnetycznego o indukcji 1 T, prostopadle do płaszczyzny kontur.
Wielkość indukowanego emf występującego w obwodzie, gdy zmienia się strumień magnetyczny przechodzący przez ten obwód, jest równa szybkości zmian strumienia magnetycznego
|
Oto zmiana strumienia magnetycznego w obwodzie w krótkim odstępie czasu. Ważna nieruchomość prawo indukcji elektromagnetycznej (23.2) to jego uniwersalność w odniesieniu do przyczyn zmian strumienia magnetycznego: strumień magnetyczny przez obwód może się zmieniać z powodu zmiany indukcji pola magnetycznego, zmiany obszaru obwodu lub zmiana kąta między wektorem indukcji a normalną, która występuje, gdy obwód obraca się w polu. We wszystkich tych przypadkach, zgodnie z prawem (23.2), w obwodzie pojawi się indukowany emf i indukowany prąd.
Znak minus we wzorze (23.2) „odpowiada” za kierunek prądu wynikający z indukcji elektromagnetycznej (reguła Lenza). Jednak w języku prawa (23.2) nie jest łatwo zrozumieć, do jakiego kierunku prądu indukcyjnego doprowadzi ten znak przy określonej zmianie strumienia magnetycznego w obwodzie. Ale wynik jest dość łatwy do zapamiętania: indukowany prąd będzie skierowany w taki sposób, że wytwarzane przez niego pole magnetyczne „będzie miało tendencję” do kompensowania zmiany zewnętrznego pola magnetycznego, które wygenerowało ten prąd. Na przykład, gdy strumień zewnętrznego pola magnetycznego przez obwód wzrośnie, pojawi się w nim prąd indukowany, którego pole magnetyczne będzie skierowane przeciwnie do zewnętrznego pola magnetycznego, aby zmniejszyć pole zewnętrzne i w ten sposób zachować pierwotne wartość pola magnetycznego. Kiedy strumień pola przez obwód maleje, indukowane pole prądu będzie skierowane w taki sam sposób, jak zewnętrzne pole magnetyczne.
Jeśli z jakiegoś powodu prąd w obwodzie z prądem zmienia się, wówczas zmienia się również strumień magnetyczny przepływający przez obwód pola magnetycznego wytwarzanego przez sam ten prąd. Następnie, zgodnie z prawem (23.2), w obwodzie powinien pojawić się indukowany emf. Zjawisko występowania indukowanego emf w jakimś obwodzie elektrycznym w wyniku zmiany prądu w samym tym obwodzie nazywa się samoindukcją. Znaleźć Samoindukowane emf w pewnym obwodzie elektrycznym konieczne jest obliczenie strumienia pola magnetycznego wytwarzanego przez ten obwód przez niego samego. To obliczenie jest złożony problem ze względu na niejednorodność pola magnetycznego. Jednak jedna właściwość tego przepływu jest oczywista. Ponieważ pole magnetyczne wytworzone przez prąd w obwodzie jest proporcjonalne do wielkości prądu, strumień magnetyczny własnego pola przez obwód jest proporcjonalny do prądu w tym obwodzie
|
gdzie jest natężenie prądu w obwodzie, jest współczynnikiem proporcjonalności, który charakteryzuje „geometrię” obwodu, ale nie zależy od prądu w nim i nazywa się indukcyjnością tego obwodu. Jednostką indukcyjności w układzie SI jest Henry (H). 1 H definiuje się jako indukcyjność takiego obwodu, strumień indukcyjny własnego pola magnetycznego, przez który jest równy 1 Wb przy natężeniu prądu 1 A. Biorąc pod uwagę definicję indukcyjności (23.3) z prawa elektromagnetycznego indukcja (23.2), otrzymujemy dla samoindukcji pola elektromagnetycznego
|
Ze względu na zjawisko samoindukcji prąd w dowolnym obwodzie elektrycznym ma pewną „bezwładność”, a zatem energię. Rzeczywiście, aby wytworzyć prąd w obwodzie, konieczne jest wykonanie pracy w celu pokonania samoindukcyjnego pola elektromagnetycznego. Energia obwodu prądowego jest równa tej pracy. Należy pamiętać o wzorze na energię obwodu prądowego
|
gdzie jest indukcyjność obwodu, jest w nim natężenie prądu.
Zjawisko indukcji elektromagnetycznej jest szeroko stosowane w technice. Na nim opiera się wytwarzanie prądu elektrycznego w generatorach elektrycznych i elektrowniach. Dzięki prawu indukcji elektromagnetycznej następuje transformacja wibracje mechaniczne w mikrofonach elektrycznych. W oparciu o prawo indukcji elektromagnetycznej działa m.in. obwód elektryczny, który jest nazywany obwód oscylacyjny(patrz następny rozdział) i który jest podstawą każdego radiowego sprzętu nadawczo-odbiorczego.
Rozważmy teraz zadania.
Spośród wymienionych w problem 23.1.1 zjawiska, istnieje tylko jedna konsekwencja prawa indukcji elektromagnetycznej - pojawienie się prądu w pierścieniu, gdy przepuszcza się przez niego magnes trwały (odpowiedź 3 ). Wszystko inne jest wynikiem magnetycznego oddziaływania prądów.
Jak stwierdzono we wstępie do tego rozdziału, u podstaw działania generatora leży zjawisko indukcji elektromagnetycznej prąd przemienny (problem 23.1.2), tj. urządzenie wytwarzające prąd przemienny o określonej częstotliwości (odpowiedź 2 ).
Indukcja pola magnetycznego wytwarzanego przez magnes trwały maleje wraz ze wzrostem odległości od niego. Dlatego gdy magnes zbliża się do pierścienia ( problem 23.1.3) zmienia się strumień pola magnetycznego magnesu przez pierścień i w pierścieniu pojawia się prąd indukowany. Oczywiście stanie się to, gdy magnes zbliży się do pierścienia zarówno z biegunem północnym, jak i południowym. Ale kierunek prądu indukcyjnego w tych przypadkach będzie inny. Wynika to z faktu, że gdy magnes zbliży się do pierścienia z różnymi biegunami, pole w płaszczyźnie pierścienia w jednym przypadku będzie skierowane przeciwnie do pola w drugim. Dlatego, aby zrekompensować te zmiany pole zewnętrzne w takich przypadkach pole magnetyczne prądu indukcyjnego powinno być skierowane inaczej. Dlatego kierunki prądów indukcyjnych w pierścieniu będą przeciwne (odpowiedź 4 ).
Aby indukowany emf mógł wystąpić w pierścieniu, konieczna jest zmiana strumienia magnetycznego przez pierścień. A ponieważ indukcja magnetyczna pola magnesu zależy od odległości od niego, to jest to rozważane problem 23.1.4 W takim przypadku przepływ przez pierścień ulegnie zmianie i w pierścieniu pojawi się prąd indukowany (odpowiedź 1
).
Podczas obracania ramki 1 ( problem 23.1.5) kąt między liniami indukcji magnetycznej (a zatem wektorem indukcji) a płaszczyzną ramy w dowolnym momencie równy zeru. W rezultacie strumień magnetyczny przechodzący przez ramkę 1 nie zmienia się (patrz wzór (23.1)), a także nie powstaje w niej prąd indukowany. W ramce 2 pojawi się prąd indukcyjny: w pozycji pokazanej na rysunku strumień magnetyczny przechodzący przez nią wynosi zero, gdy rama obróci się o ćwierć obrotu, będzie równy , gdzie jest indukcja i jest obszarem rama. Po kolejnym ćwierćobrocie przepływ ponownie wyniesie zero itd. Dlatego strumień indukcji magnetycznej przez ramę 2 zmienia się podczas jej obrotu, dlatego pojawia się w niej indukowany prąd (odpowiedź 2 ).
W problem 23.1.6 prąd indukowany występuje tylko w przypadku 2 (odpowiedź 2
). Rzeczywiście w przypadku 1 rama podczas ruchu pozostaje w tej samej odległości od przewodnika, a zatem pole magnetyczne wytwarzane przez ten przewodnik w płaszczyźnie ramy nie zmienia się. Kiedy rama oddala się od przewodnika, zmienia się indukcja magnetyczna pola przewodnika w obszarze ramy, zmienia się strumień magnetyczny przez ramę i pojawia się prąd indukowany
Prawo indukcji elektromagnetycznej mówi, że indukowany prąd będzie płynął w pierścieniu w momentach, w których zmienia się strumień magnetyczny przepływający przez pierścień. Dlatego też, gdy magnes znajduje się w spoczynku w pobliżu pierścienia ( problem 23.1.7) w pierścieniu nie będzie płynął żaden prąd indukowany. Dlatego poprawna odpowiedź w tym zadaniu brzmi 2 .
Zgodnie z prawem indukcji elektromagnetycznej (23.2) indukowany emf w ramie jest określony przez szybkość zmiany strumienia magnetycznego przez nią przepływającego. A ponieważ pod warunkiem problemy 23.1.8 indukcja pola magnetycznego w obszarze ramki zmienia się równomiernie, szybkość jego zmian jest stała, wartość indukowanego emf nie zmienia się w trakcie eksperymentu (odpowiedź 3 ).
W problem 23.1.9 Indukowany emf występujący w ramce w drugim przypadku jest czterokrotnie większy niż indukowany emf występujący w pierwszym (odpowiedź 4 ). Wynika to z czterokrotnego zwiększenia powierzchni ramy i odpowiednio strumienia magnetycznego przez nią w drugim przypadku.
W zadanie 23.1.10 w drugim przypadku szybkość zmian strumienia magnetycznego podwaja się (indukcja pola zmienia się o tę samą wielkość, ale o połowę krócej). Dlatego emf indukcji elektromagnetycznej występujący w ramce w drugim przypadku jest dwukrotnie większy niż w pierwszym (odpowiedź 1 ).
Gdy prąd w zamkniętym przewodniku podwoi się ( problem 23.2.1), wielkość indukcji pola magnetycznego podwoi się w każdym punkcie przestrzeni bez zmiany kierunku. Dlatego strumień magnetyczny przez dowolny mały obszar i odpowiednio cały przewodnik zmieni się dokładnie dwukrotnie (odpowiedź 1
). Ale stosunek strumienia magnetycznego przez przewodnik do prądu w tym przewodniku, który reprezentuje indukcyjność przewodnika 
, to się nie zmieni ( problem 23.2.2- odpowiedź 3
).
Korzystając ze wzoru (23.3) znajdujemy w problem 32.2.3 Gn (odpowiedź 4 ).
Zależność między jednostkami strumienia magnetycznego, indukcji magnetycznej i indukcyjności ( problem 23.2.4) wynika z definicji indukcyjności (23.3): jednostka strumienia magnetycznego (Wb) jest równa iloczynowi jednostki prądu (A) przez jednostkę indukcyjności (H) - odpowiedź 3 .
Zgodnie ze wzorem (23.5), przy dwukrotnym wzroście indukcyjności cewki i dwukrotnym spadku prądu w niej ( problem 23.2.5) energia pola magnetycznego cewki zmniejszy się 2 razy (odpowiedź 2 ).
Kiedy rama obraca się w jednolitym polu magnetycznym, strumień magnetyczny przechodzący przez ramę zmienia się w wyniku zmiany kąta między prostopadłą do płaszczyzny ramy a wektorem indukcji pola magnetycznego. A ponieważ zarówno w pierwszym, jak i drugim przypadku w problem 23.2.6 kąt ten zmienia się zgodnie z tym samym prawem (zgodnie z warunkiem częstotliwość obrotu ramek jest taka sama), następnie indukowany emf zmienia się zgodnie z tym samym prawem, a zatem stosunek wartości amplitudy indukowany emf w ramce jest równy jedności (odpowiedź 2 ).
Pole magnetyczne, generowane przez dyrygenta z prądem w obszarze ramki ( problem 23.2.7), kierowane „od nas” (patrz rozwiązania problemów w rozdziale 22). Wielkość indukcji pola drutu w obszarze ramy będzie się zmniejszać w miarę oddalania się od drutu. Dlatego też prąd indukowany w ramie powinien wytworzyć pole magnetyczne skierowane do wnętrza ramy „od nas”. Korzystając teraz z reguły świdra do znalezienia kierunku indukcji magnetycznej, dochodzimy do wniosku, że prąd indukowany w ramie będzie skierowany zgodnie z ruchem wskazówek zegara (odpowiedź 1 ).
Wraz ze wzrostem prądu w przewodzie, wytwarzane przez niego pole magnetyczne będzie wzrastać, a w ramce pojawi się prąd indukowany ( problem 23.2.8). W rezultacie nastąpi interakcja między prądem indukcyjnym w ramie a prądem w przewodniku. Aby znaleźć kierunek tego oddziaływania (przyciąganie lub odpychanie), można znaleźć kierunek prądu indukcyjnego, a następnie, korzystając ze wzoru Ampera, siłę oddziaływania pomiędzy ramą a drutem. Można to jednak zrobić inaczej, korzystając z reguły Lenza. Wszystkie zjawiska indukcyjne muszą mieć taki kierunek, aby kompensować przyczynę, która je powoduje. A ponieważ powodem jest wzrost prądu w ramie, siła oddziaływania prądu indukcyjnego z drutem powinna zmierzać do zmniejszenia strumienia magnetycznego pola drutu przez ramę. A ponieważ indukcja magnetyczna pola drutu maleje wraz ze wzrostem odległości od niego, siła ta odepchnie ramę od drutu (odpowiedź 2 ). Jeśli prąd w przewodzie spadnie, rama zostanie przyciągnięta do drutu.
Zadanie 23.2.9 związane także z kierunkiem zjawisk indukcji i regułą Lenza. Kiedy magnes zbliży się do przewodzącego pierścienia, pojawi się w nim indukowany prąd, a jego kierunek będzie taki, aby zrekompensować przyczynę, która go powoduje. A ponieważ tym powodem jest zbliżanie się magnesu, pierścień zostanie od niego odepchnięty (odpowiedź 2 ). Jeśli magnes zostanie odsunięty od pierścienia, wówczas z tych samych powodów nastąpi przyciąganie pierścienia do magnesu.
Problem 23.2.10 jest jedynym problemem obliczeniowym w tym rozdziale. Aby znaleźć indukowany emf, należy znaleźć zmianę strumienia magnetycznego w obwodzie 
. Można to zrobić w ten sposób. Pozwól, aby w pewnym momencie zworka znalazła się w pozycji pokazanej na rysunku i minęła niewielka przerwa. W tym przedziale czasu zworka przesunie się o określoną wartość. Doprowadzi to do zwiększenia obszaru konturu 
według kwoty 
. Dlatego zmiana strumienia magnetycznego przez obwód będzie równa , a wielkość indukowanego emf 
(odpowiedź 4
).
Nauczyciel fizyki, Szkoła Średnia nr 58, Sewastopol, Safronenko N.I.
Temat lekcji: Eksperymenty Faradaya. Indukcja elektromagnetyczna.
Praca laboratoryjna „Badanie zjawiska indukcji elektromagnetycznej”
Cele Lekcji : Wiedzieć/rozumieć: definicja zjawiska indukcji elektromagnetycznej. Potrafić opisać i wyjaśnić indukcję elektromagnetyczną,móc poczynić obserwacje Zjawiska naturalne, użyj prostego urządzenia pomiarowe do badania zjawisk fizycznych.
- rozwijanie: rozwijać logiczne myślenie, zainteresowanie poznawcze, obserwacja.
- edukacyjny: Aby wzbudzić wiarę w możliwość poznania natury,koniecznośćmądre wykorzystanie osiągnięć naukowych dla dalszy rozwój społeczeństwo, szacunek dla twórców nauki i technologii.
Sprzęt: Indukcja elektromagnetyczna: cewka z galwanometrem, magnes, cewka z rdzeniem, źródło prądu, reostat, cewka z rdzeniem, przez który przepływa prąd przemienny, bryła i pierścień ze szczeliną, cewka ze światłem żarówka. Film o M. Faradaya.
Typ lekcji: lekcja łączona
Metoda lekcji: częściowo poszukiwania, objaśniające i ilustracyjne
§21(s.90-93), odpowiedz ustnie na pytania s.90, test 11 s.108
Praca laboratoryjna
Badanie zjawiska indukcji elektromagnetycznej
Cel pracy: rozwiązać
1) w jakich warunkach w obwodzie zamkniętym (cewce) pojawia się prąd indukowany;
2) co decyduje o kierunku prądu indukcyjnego;
3) od czego zależy siła prądu indukcyjnego?
Sprzęt : miliamperomierz, cewka, magnes
Podczas zajęć.
Podłącz końce cewki do zacisków miliamperomierza.
1. Dowiedzieć się, co Prąd elektryczny (indukcja) w cewce pojawia się, gdy zmienia się pole magnetyczne wewnątrz cewki. Zmiany pola magnetycznego wewnątrz cewki mogą być spowodowane przesuwaniem magnesu do cewki lub z niej.
A) Włóż magnes z biegunem południowym do cewki, a następnie wyjmij go.
B) Włóż magnes z biegunem północnym do cewki, a następnie wyjmij go.
Czy kiedy magnes się porusza, w cewce pojawia się prąd (indukcja)? (Czy w cewce pojawia się prąd indukowany, gdy zmienia się pole magnetyczne?)
2. Dowiedzieć się, co kierunek prądu indukcyjnego zależy od kierunku ruchu magnesu względem cewki (magnes jest dodawany lub usuwany) oraz od tego, na którym biegunie magnes jest wkładany lub usuwany.
A) Włóż magnes z biegunem południowym do cewki, a następnie wyjmij go. Zaobserwuj, co dzieje się z igłą miliamperomierza w obu przypadkach.
B) Włóż magnes z biegunem północnym do cewki, a następnie wyjmij go. Zaobserwuj, co dzieje się z igłą miliamperomierza w obu przypadkach. Narysuj kierunek odchylenia igły miliamperomierza:
Słupy magnetyczne
Zwijać
Z rolki
biegun północny
3. Dowiedzieć się, co siła prądu indukcyjnego zależy od prędkości magnesu (szybkości zmiany pola magnetycznego w cewce).
Powoli włóż magnes do cewki. Obserwuj odczyt miliamperomierza.
Szybko włóż magnes do cewki. Obserwuj odczyt miliamperomierza.
Wniosek.
Podczas zajęć
Droga do wiedzy? Łatwo ją zrozumieć. Możesz po prostu odpowiedzieć: „Popełniasz błędy i popełniasz je ponownie, ale za każdym razem mniej, mniej. Mam nadzieję, że dzisiejsza lekcja będzie o jedną mniej na tej drodze wiedzy. Nasza lekcja poświęcona jest zjawisku indukcji elektromagnetycznej, które odkrył angielski fizyk Michael Faradaya 29 sierpnia 1831 roku. Rzadki przypadek, kiedy data nowego wspaniałego odkrycia jest znana tak dokładnie!
Zjawisko indukcji elektromagnetycznej to zjawisko występowania prądu elektrycznego w zamkniętym przewodniku (cewce), gdy zmienia się zewnętrzne pole magnetyczne wewnątrz cewki. Prąd nazywa się indukcją. Indukcja – przewodnictwo, przyjmowanie.
Cel lekcji: badać zjawisko indukcji elektromagnetycznej, tj. w jakich warunkach pojawia się prąd indukcyjny w obwodzie zamkniętym (cewce); dowiedz się, co decyduje o kierunku i wielkości prądu indukcyjnego.
Równolegle z studiowaniem materiału będziesz wykonywać prace laboratoryjne.
Na początku XIX wieku (1820 r.) po eksperymentach duńskiego naukowca Oersteda stało się jasne, że prąd elektryczny wytwarza wokół siebie pole magnetyczne. Przypomnijmy sobie to przeżycie jeszcze raz. (Uczeń opowiada o eksperymencie Oersteda ). Po tym pojawiło się pytanie, czy można uzyskać prąd za pomocą pola magnetycznego, tj. produkować działania odwrotne. W pierwszej połowie XIX wieku naukowcy zwrócili się ku właśnie takim eksperymentom: zaczęli szukać możliwości wytworzenia prądu elektrycznego pod wpływem pola magnetycznego. M. Faraday napisał w swoim dzienniku: „Przekształć magnetyzm w elektryczność”. I przez prawie dziesięć lat szłam do celu. Z zadaniem poradził sobie znakomicie. Na pamiątkę tego, o czym zawsze powinien myśleć, nosił w kieszeni magnes. Tą lekcją złożymy hołd wielkiemu naukowcowi.
Pamiętajmy o Michaelu Faradaya. Kim on jest? (Studentka opowiada o M. Faradaya ).
Syn kowala, roznosiciela gazet, introligatora, samouka, który samodzielnie uczył się fizyki i chemii z książek, asystent laboratoryjny wybitny chemik Devi i w końcu naukowiec to zrobił dobra robota, wykazał się pomysłowością, wytrwałością i wytrwałością, dopóki nie otrzymał prądu elektrycznego za pomocą pola magnetycznego.
Wybierzmy się w podróż do tych odległych czasów i odtwórzmy eksperymenty Faradaya. Faradaya uważa się za największego eksperymentatora w historii fizyki.
N S
1) 2)
SN
Magnes został włożony do cewki. Kiedy magnes poruszał się w cewce, rejestrowano prąd (indukcję). Pierwszy schemat był dość prosty. Po pierwsze, M. Faraday w swoich eksperymentach zastosował cewkę o dużej liczbie zwojów. Cewkę podłączono do urządzenia miliamperomierza. Trzeba powiedzieć, że w tych odległych czasach było za mało dobre narzędzia do pomiaru prądu elektrycznego. Dlatego użyliśmy niezwykłego rozwiązanie techniczne: wzięli igłę magnetyczną, umieścili obok niej przewodnik, przez który płynął prąd i na podstawie odchylenia igły magnetycznej oceniali przepływ prądu. Prąd ocenimy na podstawie odczytów miliamperomierza.
Uczniowie odtwarzają doświadczenie, wykonują krok 1 w Praca laboratoryjna. Zauważyliśmy, że wskazówka miliamperomierza odbiega od wartości zerowej, tj. pokazuje, że w obwodzie pojawia się prąd, gdy magnes się porusza. Gdy tylko magnes się zatrzyma, strzałka powraca do pozycji zerowej, tj. w obwodzie nie ma prądu elektrycznego. Prąd pojawia się, gdy zmienia się pole magnetyczne wewnątrz cewki.
Doszliśmy do tego, o czym mówiliśmy na początku lekcji: otrzymaliśmy prąd elektryczny za pomocą zmiennego pola magnetycznego. To jest pierwsza zasługa M. Faradaya.
Drugą zasługą M. Faradaya jest to, że ustalił, od czego zależy kierunek prądu indukcyjnego. To też ustalimy.Studenci wykonują krok 2 w pracy laboratoryjnej. Przejdźmy do punktu 3 pracy laboratoryjnej. Przekonajmy się, że siła prądu indukcyjnego zależy od prędkości ruchu magnesu (szybkości zmiany pola magnetycznego w cewce).
Jakie wnioski wyciągnął M. Faradaya?
Prąd elektryczny pojawia się w obwodzie zamkniętym, gdy zmienia się pole magnetyczne (jeśli pole magnetyczne istnieje, ale się nie zmienia, to nie ma prądu).
Kierunek prądu indukcyjnego zależy od kierunku ruchu magnesu i jego biegunów.
Siła prądu indukcyjnego jest proporcjonalna do szybkości zmian pola magnetycznego.
Drugi eksperyment M. Faradaya:
Wziąłem dwie cewki na wspólnym rdzeniu. Jeden podłączyłem do miliamperomierza, a drugi kluczem do źródła prądu. Gdy tylko obwód został zamknięty, miliamperomierz pokazał indukowany prąd. Po otwarciu pokazał też prąd. Gdy obwód jest zamknięty, tj. w obwodzie płynie prąd, miliamperomierz nie pokazał prądu. Pole magnetyczne istnieje, ale się nie zmienia.
Rozważmy nowoczesna wersja eksperymenty M. Faradaya. Wkładamy i wyjmujemy elektromagnes i rdzeń z cewki podłączonej do galwanometru, włączamy i wyłączamy prąd oraz za pomocą reostatu zmieniamy natężenie prądu. Na rdzeniu cewki umieszczona jest cewka z żarówką, przez którą przepływa prąd przemienny.
Dowiedziałem się warunki występowanie prądu indukcyjnego w obwodzie zamkniętym (cewce). I co jestpowód jego występowanie? Przypomnijmy warunki istnienia prądu elektrycznego. Są to: cząstki naładowane i pole elektryczne. Faktem jest, że zmienne pole magnetyczne wytwarza w przestrzeni pole elektryczne (wir), które działa na wolne elektrony w cewce i wprawia je w ruch kierunkowy, tworząc w ten sposób prąd indukcyjny.
Zmienia się pole magnetyczne, zmienia się liczba linii pola magnetycznego w zamkniętej pętli. Jeśli obrócisz ramkę w polu magnetycznym, pojawi się w niej indukowany prąd.Pokaż model generatora.
Odkrycie zjawiska indukcji elektromagnetycznej miało miejsce Świetna cena za rozwój technologii, za tworzenie generatorów, za pomocą których Energia elektryczna, które są na energii przedsiębiorstw przemysłowych(elektrownie).Od 12.02 minuty wyświetlany jest film o M. Faradaya „Od prądu do generatorów prądu”.
Transformatory działają na zjawisku indukcji elektromagnetycznej, za pomocą której przesyłają prąd bez strat.Na wystawie widać linię energetyczną.
Zjawisko indukcji elektromagnetycznej wykorzystywane jest w działaniu defektoskopu, za pomocą którego badane są stalowe belki i szyny (niejednorodności wiązki zniekształcają pole magnetyczne, a w cewce defektoskopu pojawia się prąd indukcyjny).
Chciałbym pamiętać słowa Helmholtza: „Dopóki ludzie będą korzystać z dobrodziejstw elektryczności, będą pamiętać imię Faradaya”.
„Niech będą święci ci, którzy w zapałach twórczych, eksplorując cały świat, odkryli w nim prawa”.
Myślę, że na naszej drodze wiedzy błędów jest jeszcze mniej.
Czego nowego się nauczyłeś? (Prąd ten można uzyskać za pomocą zmiennego pola magnetycznego. Dowiedzieliśmy się, od czego zależy kierunek i wielkość prądu indukcyjnego).
Czego się nauczyłeś? (Odbierz prąd indukowany za pomocą zmieniającego się pola magnetycznego).
Pytania:
Przez pierwsze dwie sekundy w metalowy pierścień wciskany jest magnes, przez kolejne dwie sekundy pozostaje on w pierścieniu nieruchomy, a przez kolejne dwie sekundy jest usuwany. W jakich odstępach czasu w cewce płynie prąd? (Od 1-2 s; 5-6 s).
Na magnesie umieszcza się pierścionek z nacięciem lub bez. Gdzie występuje prąd indukowany? (W zamkniętym kręgu)
Na rdzeniu cewki, która jest podłączona do źródła prądu przemiennego, znajduje się pierścień. Włącza się prąd i pierścień przeskakuje. Dlaczego?
Projekt płytki:
„Zamień magnetyzm w elektryczność”
M. Faradaya
Portret M. Faradaya
Rysunki eksperymentów M. Faradaya.
Indukcja elektromagnetyczna to zjawisko występowania prądu elektrycznego w zamkniętym przewodniku (cewce), gdy zmienia się zewnętrzne pole magnetyczne wewnątrz cewki.
Prąd ten nazywany jest prądem indukcyjnym.
PRĄD INDUKCYJNY to prąd elektryczny powstający, gdy zmienia się strumień indukcji magnetycznej w zamkniętym obwodzie przewodzącym. Zjawisko to nazywa się indukcją elektromagnetyczną. Chcesz wiedzieć, w którym kierunku płynie prąd indukcyjny? Rosinductor to handel portalu informacyjnego, gdzie znajdziesz informacje o aktualnych.
Zasada określająca kierunek dźwięków prądu indukcyjnego w następujący sposób: „Prąd indukowany jest tak ukierunkowany, aby swoim polem magnetycznym przeciwdziałał zmianie strumienia magnetycznego, która go powoduje.” Prawa ręka dłoń zwrócona w stronę magnetyczną linie energetyczne, w której kciuk skierowany w kierunku ruchu przewodnika, a cztery palce wskazują, w którym kierunku będzie płynął indukowany prąd. Poruszając przewodnik, poruszamy wraz z przewodnikiem wszystkie zawarte w nim elektrony, a poruszając ładunki elektryczne w polu magnetycznym, działa na nie siła zgodnie z zasadą lewej ręki.
Kierunek prądu indukcyjnego, a także jego wielkość określa reguła Lenza, która stwierdza, że kierunek prądu indukcyjnego zawsze osłabia działanie czynnika wzbudzającego prąd. Kiedy zmienia się strumień pola magnetycznego przez obwód, kierunek indukowanego prądu będzie taki, aby kompensować te zmiany. Kiedy pole magnetyczne wzbudzające prąd w obwodzie powstaje w innym obwodzie, kierunek prądu indukcyjnego zależy od charakteru zmian: gdy prąd zewnętrzny wzrasta, prąd indukcyjny ma przeciwny kierunek, gdy maleje; skierowany w tym samym kierunku i ma tendencję do zwiększania przepływu.
Cewka prądu indukcyjnego ma dwa bieguny (północny i południowy), które są określane w zależności od kierunku prądu: linie indukcyjne wychodzą z biegun północny. Zbliżenie magnesu do cewki powoduje pojawienie się prądu w kierunku, który odpycha magnes. Po usunięciu magnesu prąd w cewce ma kierunek sprzyjający przyciąganiu magnesu.
Prąd indukcyjny występuje w obwodzie zamkniętym znajdującym się w zmiennym polu magnetycznym. Obwód może być nieruchomy (umieszczony w zmiennym strumieniu indukcji magnetycznej) lub ruchomy (ruch obwodu powoduje zmianę strumienia magnetycznego). Wystąpienie prądu indukcyjnego powoduje powstanie wirowego pola elektrycznego, które jest wzbudzane pod wpływem pola magnetycznego.
Możesz dowiedzieć się, jak wytworzyć krótkotrwały prąd indukcyjny kurs szkolny fizyka.
Można to zrobić na kilka sposobów:
- - ruch magnesu trwałego lub elektromagnesu względem cewki,
- - ruch rdzenia względem elektromagnesu umieszczonego w cewce,
- - zamykanie i otwieranie obwodu,
- - regulacja prądu w obwodzie.
Podstawowe prawo elektrodynamiki (prawo Faradaya) stwierdza, że siła prądu indukowanego w dowolnym obwodzie jest równa szybkości zmian strumienia magnetycznego przechodzącego przez obwód, branego ze znakiem minus. Nazywa się siłę prądu indukcyjnego siła elektromotoryczna.
Jak już się dowiedzieliśmy, prąd elektryczny może generować pola magnetyczne. Powstaje pytanie: czy pole magnetyczne może powodować pojawienie się prądu elektrycznego? Ten problem został rozwiązany Fizyk angielski Michaela Faradaya, który w 1831 roku odkrył zjawisko indukcji elektromagnetycznej. Przewodnik zwinięty w cewkę jest podłączony do galwanometru (ryc. 3.19). Jeśli wsuniesz magnes trwały do cewki, galwanometr pokaże obecność prądu przez cały czas, gdy magnes porusza się względem cewki. Kiedy magnes jest wyciągany z cewki, galwanometr wskazuje obecność prądu. przeciwny kierunek. Zmiany kierunku prądu zachodzą, gdy zmienia się przesuwany lub chowany biegun magnesu.
Podobne rezultaty zaobserwowano przy wymianie magnesu trwałego na elektromagnes (cewka z prądem). Jeżeli obie cewki są unieruchomione w bezruchu, ale wartość prądu w jednej z nich ulega zmianie, to w tym momencie w drugiej cewce obserwuje się indukowany prąd.
ZJAWISKO INDUKCJI ELEKTROMAGNETYCZNEJ polega na występowaniu w obwodzie przewodzącym siły elektromotorycznej (SEM) indukcji, przez którą zmienia się strumień wektora indukcji magnetycznej. Jeśli obwód jest zamknięty, pojawia się w nim prąd indukowany.
Odkrycie zjawiska indukcji elektromagnetycznej:
1) pokazał związek pomiędzy polem elektrycznym i magnetycznym;
2) zasugerowane sposób wytwarzania prądu elektrycznego za pomocą pola magnetycznego.
Podstawowe właściwości prądu indukcyjnego:
1. Prąd indukcyjny występuje zawsze, gdy następuje zmiana strumienia indukcji magnetycznej związanej z obwodem.
2. Siła prądu indukcyjnego nie zależy od metody zmiany strumienia indukcji magnetycznej, ale zależy jedynie od szybkości jego zmian.
Eksperymenty Faradaya wykazały, że wielkość elektromotorycznej siły indukcji jest proporcjonalna do szybkości zmian strumienia magnetycznego przenikającego obwód przewodnika (prawo indukcji elektromagnetycznej Faradaya)
Lub (3.46)
gdzie (dF) jest zmianą przepływu w czasie (dt). STRUMIEŃ MAGNETYCZNY Lub STRUMIEŃ INDUKCJI MAGNETYCZNEJ to wielkość wyznaczana na podstawie zależności: ( strumień magnetyczny przez powierzchnię o obszarze S): Ф=ВScosα, (3,45), kąt a – kąt pomiędzy normalną do rozpatrywanej powierzchni a kierunkiem wektora indukcji pola magnetycznego
jednostka strumienia magnetycznego w układzie SI nazywa się to Webera– [Wb=Tl×m2].
Znak „–” we wzorze oznacza, że emf. indukcja powoduje powstanie prądu indukowanego, którego pole magnetyczne przeciwdziała wszelkim zmianom strumienia magnetycznego, tj. przy >0 e.m.f. indukcja e ORAZ<0 и наоборот.
e.m.f. indukcję mierzy się w woltach
Aby znaleźć kierunek prądu indukcyjnego, należy skorzystać z reguły Lenza (reguła została ustalona w 1833 r.): prąd indukcyjny ma taki kierunek, że wytwarzane przez niego pole magnetyczne ma tendencję do kompensowania zmiany strumienia magnetycznego, który spowodował ten prąd indukcyjny .
Na przykład, jeśli przesuniesz biegun północny magnesu do cewki, tj. zwiększysz strumień magnetyczny przechodzący przez jego zwoje, w cewce pojawi się prąd indukowany w takim kierunku, że biegun północny pojawi się na końcu cewki najbliżej położonym magnes (ryc. 3.20). Zatem pole magnetyczne indukowanego prądu ma tendencję do neutralizowania zmiany strumienia magnetycznego, która go spowodowała.
Zmienne pole magnetyczne nie tylko generuje prąd indukowany w zamkniętym przewodniku, ale także gdy zamknięty przewodnik o długości l porusza się w stałym polu magnetycznym (B) z prędkością v, w przewodniku pojawia się siła emf:
a (B Ùv) (3,47)
Jak już wiesz, siła elektromotoryczna w łańcuchu jest wynikiem działania sił zewnętrznych. Kiedy dyrygent się porusza w polu magnetycznym rola sił zewnętrznych wykonuje Siła Lorentza(który działa pod wpływem pola magnetycznego na poruszający się ładunek elektryczny). Pod wpływem tej siły ładunki oddzielają się i na końcach przewodnika powstaje różnica potencjałów. E.m.f. Indukcja w przewodniku to praca polegająca na przemieszczaniu się ładunków jednostkowych wzdłuż przewodnika.
Kierunek prądu indukcyjnego może być zdeterminowany zgodnie z regułą prawej dłoni:Wektor B wchodzi do dłoni, odwiedziony kciuk pokrywa się z kierunkiem prędkości przewodnika, a 4 palce wskażą kierunek prądu indukcyjnego.
Zatem zmienne pole magnetyczne powoduje pojawienie się indukowanego pola elektrycznego. To nie potencjalnie(w przeciwieństwie do elektrostatycznego), ponieważ Stanowisko przesuwając pojedynczy ładunek dodatni równy e.m.f. wprowadzenie, nie zerowy.
Takie pola nazywane są wir. Linie sił wirowych pole elektryczne - są zamknięci w sobie, w przeciwieństwie do linii natężenia pola elektrostatycznego.
E.m.f. indukcja zachodzi nie tylko w sąsiednich przewodnikach, ale także w samym przewodniku, gdy zmienia się pole magnetyczne prądu płynącego przez przewodnik. Pojawienie się pola elektromagnetycznego w dowolnym przewodniku, gdy zmienia się w nim siła prądu (stąd strumień magnetyczny w przewodniku), nazywa się to samoindukcją, a prąd indukowany w tym przewodniku wynosi - prąd samoindukcyjny.
Prąd w obwodzie zamkniętym wytwarza w otaczającej przestrzeni pole magnetyczne, którego natężenie jest proporcjonalne do natężenia prądu I. Dlatego strumień magnetyczny Ф przenikający obwód jest proporcjonalny do natężenia prądu w obwodzie
Ф=L×I, (3,48).
L jest współczynnikiem proporcjonalności, zwanym współczynnikiem samoindukcji lub po prostu indukcyjnością. Indukcyjność zależy od wielkości i kształtu obwodu, a także od przenikalności magnetycznej środowiska otaczającego obwód.
W tym sensie indukcyjność obwodu wynosi analog pojemność elektryczna izolowanego przewodnika, która zależy również tylko od kształtu przewodnika, jego wymiarów i stałej dielektrycznej ośrodka.
Jednostką indukcyjności jest Henry (H): 1Gn - indukcyjność takiego obwodu, którego samoindukcyjny strumień magnetyczny przy prądzie 1A wynosi 1Wb (1Gn=1Wb/A=1V s/A).
Jeśli L=stała, to emf. samoindukcję można przedstawić w następującej postaci:
, Lub 
, (3.49)
gdzie DI (dI) jest zmianą prądu w obwodzie zawierającym cewkę indukcyjną (lub obwód) L w czasie Dt (dt). Znak „–” w tym wyrażeniu oznacza, że emf. samoindukcja zapobiega zmianie prądu (tj. jeśli prąd w obwodzie zamkniętym maleje, wówczas emf samoindukcji prowadzi do pojawienia się prądu w tym samym kierunku i odwrotnie).
Jednym z przejawów indukcji elektromagnetycznej jest występowanie zamkniętych prądów indukcyjnych w ośrodkach przewodzących ciągłych: ciałach metalowych, roztworach elektrolitów, narządach biologicznych itp. Takie prądy nazywane są prądami wirowymi lub prądami Foucaulta. Prądy te powstają, gdy ciało przewodzące porusza się w polu magnetycznym i/lub gdy indukcja pola, w którym znajdują się ciała, zmienia się w czasie. Siła prądów Foucaulta zależy od oporu elektrycznego ciał, a także od szybkości zmian pola magnetycznego.
Prądy Foucaulta również podlegają prawu Lenza : Ich pole magnetyczne jest skierowane tak, aby przeciwdziałać zmianom strumienia magnetycznego, które indukują prądy wirowe.
Dlatego masywne przewodniki są zwalniane w polu magnetycznym. W maszynach elektrycznych, aby zminimalizować wpływ prądów Foucaulta, rdzenie transformatorów i obwody magnetyczne maszyn elektrycznych są montowane z cienkich płytek izolowanych od siebie specjalnym lakierem lub zgorzeliną.
Prądy wirowe powodują, że przewodniki stają się bardzo gorące. Ciepło Joule'a generowane przez prądy Foucaulta, używany w indukcyjnych piecach hutniczych do topienia metali, zgodnie z prawem Joule'a-Lenza.