3.5 Электромагнитная индукция

3.5. Электромагнитная индукция. Закон Фарадея

3.5 Электромагнитная индукция

§ 3.5. Электромагнитная индукция. Закон Фарадея.

В 1831 г. Фарадеем было сделано одно из наиболее фундаментальных открытий в физике, – открыто явление электромагнитной индукции.

В замкнутом контуре при изменении потока вектора , охватываемого контуром, возникает электрический ток.

Фарадей обнаружил, что индукционный ток можно вызвать двумя способами: перемещать рамку (или ее часть) в поле  или изменять магнитное поле по величине, оставляя неподвижной рамку.

Рассмотрим вначале первый способ.

При движении проводника в магнитном поле его свободные электроны под действием силы Лоренца приходят в движение относительно проводника, то есть возникает ток. Это явление называется электромагнитной индукцией.

Рассмотрим контур, состоящий из параллельных проводников  и , замкнутых проводом  и скользящей перемычкой  (рис.3.15).

Контур находится во внешнем поле , перпендикулярном его плоскости. На заряды в движущемся проводнике действует сила Лоренца, приложенная параллельно перемычке (силы, действующие на  и , показаны на рис.3.15). Видно, что в контуре появился ток, направленный вдоль движения . Его направление принимается за направление обхода контура, что определяют на рисунке векторы  и .

Появление тока связано с . ЭДС – это работа по перемещению положительного единичного заряда вдоль проводника:

;              (3.37)

.                         (3.38)

Примем во внимание, что

,                        (3.39)

где знак “‑“ связан с тем, что векторы  и  направлены противоположно. Тогда с учетом (3.39) (3.38) принимает следующий вид:

.                                  (3.40)

Выражение (3.40) представляет собой математическую формулировку закона Фарадея, физический смысл которого заключается в следующем:

при движении замкнутого проводника во внешнем магнитном поле в его контуре возникает ЭДС индукции, равная скорости изменения потока магнитного поля сквозь поверхность контура.

Правило, определяющее направление ЭДС индукции, сформулировано Ленцем в 1933 г.:

индукционный ток направлен так, что создаваемое им поле препятствует изменению магнитного потока.

Возникновение ЭДС индукции в рассматриваемом примере связано с действием силы Лоренца на заряды, движущиеся со скоростью . Если движется не контур, а магнит, то также происходит изменение магнитного потока, т.е. формула (3.40) является общей. Следовательно:

а) изменяющееся магнитное поле (магнитный поток) порождает электрическое поле (ЭДС);

б) электрическое поле может порождаться не только зарядами, но и изменяющимся магнитным полем.

         В таком виде выводы из закона электромагнитной индукции были сформулированы Максвеллом. Чтобы записать их в математической форме, перейдем к дифференциальной формулировке закона электромагнитной индукции. Так как

,                              (3.41)

то:

;                                  (3.42)

.                              (3.43)

Тогда:

        или   .                     (3.44)

Формула (3.44) описывает закон появления в некоторой точке пространства электрического поля за счет изменения магнитного поля в этой точке (рис.3.16). Закон сохранения энергии выполняется вследствие того, что энергия, сообщаемая пробному заряду, движущемуся по контуру, черпается из источника, который обеспечивал изменение магнитного поля.

Для потенциального поля ; в данном случае , следовательно, индукционное электрическое поле не является потенциальным. Так же, как и магнитное, оно названо вихревым (рис.3.16), т.е. его силовые линии замкнуты.

         Уравнения Максвелла (3.29 -3.30), записанные ранее для вакуума, с учетом электромагнитной индукции перепишутся в виде:

;          (3.45)                            ;              (3.47)

;       (3.46)                            .          (3.48)

         Физический смысл этих уравнений:

—         (3.45) – источником электрического поля являются электрические заряды , стоком – заряды ;

—         (3.46) – источником электрического поля также является переменное магнитное поле; при этом образуется не потенциальное, как в (3.45), а вихревое электрическое поле;

—         (3.47) ‑ не существует магнитных зарядов; силовые линии магнитного поля являются замкнутыми;

—         (3.48) ‑ магнитное поле порождается токами проводимости и является вихревым.

Источник: https://studizba.com/lectures/73-fizika/1080-elektrichestvo-i-magnetizm/19862-35-elektromagnitnaya-indukciya-zakon-faradeya.html

Электромагнитная индукция

3.5 Электромагнитная индукция

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: явление электромагнитной индукции, магнитный поток, закон электромагнитной индукции Фарадея, правило Ленца

Опыт Эрстеда показал, что электрический ток создаёт в окружающем пространстве магнитное поле. Майкл Фарадей пришёл к мысли, что может существовать и обратный эффект: магнитное поле, в свою очередь, порождает электрический ток.

Иными словами, пусть в магнитном поле находится замкнутый проводник; не будет ли в этом проводнике возникать электрический ток под действием магнитного поля?

Через десять лет поисков и экспериментов Фарадею наконец удалось этот эффект обнаружить. В 1831 году он поставил следующие опыты.

1. На одну и ту же деревянную основу были намотаны две катушки; витки второй катушки были проложены между витками первой и изолированы.

Выводы первой катушки подключались к источнику тока, выводы второй катушки — к гальванометру (гальванометр — чувствительный прибор для измерения малых токов).

Таким образом, получались два контура: «источник тока — первая катушка» и «вторая катушка — гальванометр».

Электрического контакта между контурами не было, только лишь магнитное поле первой катушки пронизывало вторую катушку.

При замыкании цепи первой катушки гальванометр регистрировал короткий и слабый импульс тока во второй катушке.

Когда по первой катушке протекал постоянный ток, никакого тока во второй катушке не возникало.

При размыкании цепи первой катушки снова возникал короткий и слабый импульс тока во второй катушке, но на сей раз в обратном направлении по сравнению с током при замыкании цепи.

Вывод.

Меняющееся во времени магнитное поле первой катушки порождает (или, как говорят, индуцирует) электрический ток во второй катушке. Этот ток называется индукционным током.

Если магнитное поле первой катушки увеличивается (в момент нарастания тока при замыкании цепи), то индукционный ток во второй катушке течёт в одном направлении.

Если магнитное поле первой катушки уменьшается (в момент убывания тока при размыкании цепи), то индукционный ток во второй катушке течёт в другом направлении.

Если магнитное поле первой катушки не меняется (постоянный ток через неё), то индукционного тока во второй катушке нет.

Обнаруженное явление Фарадей назвал электромагнитной индукцией (т. е. «наведение электричества магнетизмом»).

2. Для подтверждения догадки о том, что индукционный ток порождается переменным магнитным полем, Фарадей перемещал катушки друг относительно друга. Цепь первой катушки всё время оставалась замкнутой, по ней протекал постоянный ток, но за счёт перемещения (сближения или удаления) вторая катушка оказывалась в переменном магнитном поле первой катушки.

Гальванометр снова фиксировал ток во второй катушке. Индукционный ток имел одно направление при сближении катушек, и другое — при их удалении. При этом сила индукционного тока была тем больше, чем быстрее перемещались катушки.

3. Первая катушка была заменена постоянным магнитом. При внесении магнита внутрь второй катушки возникал индукционный ток. При выдвигании магнита снова появлялся ток, но в другом направлении. И опять-таки сила индукционного тока была тем больше, чем быстрее двигался магнит.

Эти и последующие опыты показали, что индукционный ток в проводящем контуре возникает во всех тех случаях, когда меняется «количество линий» магнитного поля, пронизывающих контур. Сила индукционного тока оказывается тем больше, чем быстрее меняется это количество линий. Направление тока будет одним при увеличении количества линий сквозь контур, и другим — при их уменьшении.

Замечательно, что для величины силы тока в данном контуре важна лишь скорость изменения количества линий. Что конкретно при этом происходит, роли не играет — меняется ли само поле, пронизывающее неподвижный контур, или же контур перемещается из области с одной густотой линий в область с другой густотой.

Такова суть закона электромагнитной индукции. Но, чтобы написать формулу и производить расчёты, нужно чётко формализовать расплывчатое понятие «количество линий поля сквозь контур».

Магнитный поток

Понятие магнитного потока как раз и является характеристикой количества линий магнитного поля, пронизывающих контур.

Для простоты мы ограничиваемся случаем однородного магнитного поля. Рассмотрим контур площади , находящийся в магнитном поле с индукцией .

Пусть сначала магнитное поле перпендикулярно плоскости контура (рис. 1).

Рис. 1.

В этом случае магнитный поток определяется очень просто — как произведение индукции магнитного поля на площадь контура:

(1)

Теперь рассмотрим общий случай, когда вектор образует угол с нормалью к плоскости контура (рис. 2).

Рис. 2.

Мы видим, что теперь сквозь контур «протекает» лишь перпендикулярная составляющая вектора магнитной индукции (а та составляющая, которая параллельна контуру, не «течёт» сквозь него). Поэтому, согласно формуле (1), имеем . Но , поэтому

(2)

Это и есть общее определение магнитного потока в случае однородного магнитного поля. Обратите внимание, что если вектор параллелен плоскости контура (то есть ), то магнитный поток становится равным нулю.

А как определить магнитный поток, если поле не является однородным? Укажем лишь идею. Поверхность контура разбивается на очень большое число очень маленьких площадок, в пределах которых поле можно считать однородным. Для каждой площадки вычисляем свой маленький магнитный поток по формуле (2), а затем все эти магнитные потоки суммируем.

Единицей измерения магнитного потока является вебер (Вб). Как видим,

Вб = Тл · м = В · с. (3)

Почему же магнитный поток характеризует «количество линий» магнитного поля, пронизывающих контур? Очень просто. «Количество линий» определяется их густотой (а значит, величиной — ведь чем больше индукция, тем гуще линии) и «эффективной» площадью, пронизываемой полем (а это есть не что иное, как ). Но множители и как раз и образуют магнитный поток!

Теперь мы можем дать более чёткое определение явления электромагнитной индукции, открытого Фарадеем.

Электромагнитная индукция — это явление возникновения электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего контур.

Эдс индукции

Каков механизм возникновения индукционного тока? Это мы обсудим позже. Пока ясно одно: при изменении магнитного потока, проходящего через контур, на свободные заряды в контуре действуют некоторые силы — сторонние силы, вызывающие движение зарядов.

Как мы знаем, работа сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда вокруг контура называется электродвижущей силой (ЭДС): . В нашем случае, когда меняется магнитный поток сквозь контур, соответствующая ЭДС называется Эдс индукции и обозначается .

Итак, Эдс индукции — это работа сторонних сил, возникающих при изменении магнитного потока через контур, по перемещению единичного положительного заряда вокруг контура.

Природу сторонних сил, возникающих в данном случае в контуре, мы скоро выясним.

Закон электромагнитной индукции Фарадея

Сила индукционного тока в опытах Фарадея оказывалась тем больше, чем быстрее менялся магнитный поток через контур.

Если за малое время изменение магнитного потока равно , то скорость изменения магнитного потока — это дробь (или, что тоже самое, производная магнитного потока по времени).

Опыты показали, что сила индукционного тока прямо пропорциональна модулю скорости изменения магнитного потока:

Модуль поставлен для того, чтобы не связываться пока с отрицательными величинами (ведь при убывании магнитного потока будет ). Впоследствии мы это модуль снимем.

Из закона Ома для полной цепи мы в то же время имеем: . Поэтому Эдс индукции прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока:

(4)

ЭДС измеряется в вольтах. Но и скорость изменения магнитного потока также измеряется в вольтах! Действительно, из (3) мы видим, что Вб/с = В. Стало быть, единицы измерения обеих частей пропорциональности (4) совпадают, поэтому коэффициент пропорциональности — величина безразмерная. В системе СИ она полагается равной единице, и мы получаем:

(5)

Это и есть закон электромагнитной индукции или закон Фарадея. Дадим его словесную формулировку.

Закон электромагнитной индукции Фарадея. При изменении магнитного потока, пронизывающего контур, в этом контуре возникает Эдс индукции, равная модулю скорости изменения магнитного потока.

Правило Ленца

Магнитный поток, изменение которого приводит к появлению индукционного тока в контуре, мы будем называть внешним магнитным потоком. А само магнитное поле, которое создаёт этот магнитный поток, мы будем называть внешним магнитным полем.

Зачем нам эти термины? Дело в том, что индукционный ток, возникающий в контуре, создаёт своё собственное магнитное поле, которое по принципу суперпозиции складывается с внешним магнитным полем.

Соответственно, наряду с внешним магнитным потоком через контур будет проходить собственный магнитный поток, создаваемый магнитным полем индукционного тока.

Оказывается, эти два магнитных потока — собственный и внешний — связаны между собой строго определённым образом.

Правило Ленца . Индукционный ток всегда имеет такое направление, что собственный магнитный поток препятствует изменению внешнего магнитного потока .

Правило Ленца позволяет находить направление индукционного тока в любой ситуации.

Рассмотрим некоторые примеры применения правила Ленца.

Предположим, что контур пронизывается магнитным полем, которое возрастает со временем (рис. (3)). Например, мы приближаем снизу к контуру магнит, северный полюс которого направлен в данном случае вверх, к контуру.

Магнитный поток через контур увеличивается. Индукционный ток будет иметь такое направление, чтобы создаваемый им магнитный поток препятствовал увеличению внешнего магнитного потока. Для этого магнитное поле, создаваемое индукционным током, должно быть направлено против внешнего магнитного поля.

Индукционный ток течёт против часовой стрелки, если смотреть со стороны создаваемого им магнитного поля. В данном случае ток будет направлен по часовой стрелке, если смотреть сверху, со стороны внешнего магнитного поля, как и показано на (рис. (3)).

Рис. 3. Магнитный поток возрастает

Теперь предположим, что магнитное поле, пронизывающее контур, уменьшается со временем (рис. 4). Например, мы удаляем магнит вниз от контура, а северный полюс магнита направлен на контур.

Рис. 4. Магнитный поток убывает

Магнитный поток через контур уменьшается. Индукционный ток будет иметь такое направление, чтобы его собственный магнитный поток поддерживал внешний магнитный поток, препятствуя его убыванию. Для этого магнитное поле индукционного тока должно быть направлено в ту же сторону , что и внешнее магнитное поле.

В этом случае индукционный ток потечёт против часовой стрелки, если смотреть сверху, со стороны обоих магнитных полей.

Взаимодействие магнита с контуром

Итак, приближение или удаление магнита приводит к появлению в контуре индукционного тока, направление которого определяется правилом Ленца. Но ведь магнитное поле действует на ток! Появится сила Ампера, действующая на контур со стороны поля магнита. Куда будет направлена эта сила?

Если вы хотите хорошо разобраться в правиле Ленца и в определении направления силы Ампера, попробуйте ответить на данный вопрос самостоятельно. Это не очень простое упражнение и отличная задача для С1 на ЕГЭ. Рассмотрите четыре возможных случая.

1. Магнит приближаем к контуру, северный полюс направлен на контур.2. Магнит удаляем от контура, северный полюс направлен на контур.3. Магнит приближаем к контуру, южный полюс направлен на контур.

4. Магнит удаляем от контура, южный полюс направлен на контур.

Не забывайте, что поле магнита не однородно: линии поля расходятся от северного полюса и сходятся к южному. Это очень существенно для определения результирующей силы Ампера. Результат получается следующий.

Если приближать магнит, то контур отталкивается от магнита. Если удалять магнит, то контур притягивается к магниту. Таким образом, если контур подвешен на нити, то он всегда будет отклоняться в сторону движения магнита, словно следуя за ним. Расположение полюсов магнита при этом роли не играет .

Уж во всяком случае вы должны запомнить этот факт — вдруг такой вопрос попадётся в части А1

Результат этот можно объяснить и из совершенно общих соображений — при помощи закона сохранения энергии.

Допустим, мы приближаем магнит к контуру. В контуре появляется индукционный ток. Но для создания тока надо совершить работу! Кто её совершает? В конечном счёте — мы, перемещая магнит. Мы совершаем положительную механическую работу, которая преобразуется в положительную работу возникающих в контуре сторонних сил, создающих индукционный ток.

Итак, наша работа по перемещению магнита должна быть положительна . Это значит, что мы, приближая магнит, должны преодолевать силу взаимодействия магнита с контуром, которая, стало быть, является силой отталкивания .

Теперь удаляем магнит. Повторите, пожалуйста, эти рассуждения и убедитесь, что между магнитом и контуром должна возникнуть сила притяжения.

Закон Фарадея + Правило Ленца = Снятие модуля

Выше мы обещали снять модуль в законе Фарадея (5). Правило Ленца позволяет это сделать. Но сначала нам нужно будет договориться о знаке Эдс индукции — ведь без модуля, стоящего в правой части (5), величина ЭДС может получаться как положительной, так и отрицательной.

Прежде всего, фиксируется одно из двух возможных направлений обхода контура. Это направление объявляется положительным . Противоположное направление обхода контура называется, соответственно, отрицательным . Какое именно направление обхода мы берём в качестве положительного, роли не играет — важно лишь сделать этот выбор.

Магнитный поток через контур считается положительным , если магнитное поле, пронизывающее контур, направлено туда, глядя откуда обход контура в положительном направлении совершается против часовой стрелки. Если же с конца вектора магнитной индукции положительное направление обхода видится по часовой стрелке, то магнитный поток считается отрицательным .

Эдс индукции считается положительной , если индукционный ток течёт в положительном направлении. В этом случае направление сторонних сил, возникающих в контуре при изменении магнитного потока через него, совпадает с положительным направлением обхода контура.

Наоборот, Эдс индукции считается отрицательной , если индукционный ток течёт в отрицательном направлении. Сторонние силы в данном случае также будут действовать вдоль отрицательного направления обхода контура.

Итак, пусть контур находится в магнитном поле . Фиксируем направление положительного обхода контура. Предположим, что магнитное поле направлено туда, глядя откуда положительный обход совершается против часовой стрелки. Тогда магнитный поток положителен: .

Предположим, далее, что магнитный поток увеличивается . Согласно правилу Ленца индукционный ток потечёт в отрицательном направлении (рис. 5).

Рис. 5. Магнитный поток возрастает

Стало быть, в данном случае имеем . Знак Эдс индукции оказался противоположен знаку скорости изменения магнитного потока. Проверим это в другой ситуации.

А именно, предположим теперь, что магнитный поток убывает . По правилу Ленца индукционный ток потечёт в положительном направлении. Стало быть, (рис. 6).

Рис. 6. Магнитный поток возрастает

Таков в действительности общий факт: при нашей договорённости о знаках правило Ленца всегда приводит к тому, что знак Эдс индукции противоположен знаку скорости изменения магнитного потока :

(6)

Тем самым ликвидирован знак модуля в законе электромагнитной индукции Фарадея.

Вихревое электрическое поле

Рассмотрим неподвижный контур, находящийся в переменном магнитном поле. Каков же механизм возникновения индукционного тока в контуре? А именно, какие силы вызывают движение свободных зарядов, какова природа этих сторонних сил?

Пытаясь ответить на эти вопросы, великий английский физик Максвелл открыл фундаментальное свойство природы: меняющееся во времени магнитное поле порождает поле электрическое . Именно это электрическое поле и действует на свободные заряды, вызывая индукционный ток.

Линии возникающего электрического поля оказываются замкнутыми, в связи с чем оно было названо вихревым электрическим полем . Линии вихревого электрического поля идут вокруг линий магнитного поля и направлены следующим образом.

Пусть магнитное поле увеличивается. Если в нём находится проводящий контур, то индукционный ток потечёт в соответствии с правилом Ленца — по часовой стрелке, если смотреть с конца вектора .

Значит, туда же направлена и сила, действующая со стороны вихревого электрического поля на положительные свободные заряды контура; значит, именно туда направлен вектор напряжённости вихревого электрического поля.

Итак, линии напряжённости вихревого электрического поля направлены в данном случае по часовой стрелке (смотрим с конца вектора , (рис. 7).

Рис. 7. Вихревое электрическое поле при увеличении магнитного поля

Наоборот, если магнитное поле убывает, то линии напряжённости вихревого электрического поля направлены против часовой стрелки (рис. 8).

Рис. 8. Вихревое электрическое поле при уменьшении магнитного поля

Теперь мы можем глубже понять явление электромагнитной индукции. Суть его состоит именно в том, что переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле. Данный эффект не зависит от того, присутствует ли в магнитном поле замкнутый проводящий контур или нет; с помощью контура мы лишь обнаруживаем это явление, наблюдая индукционный ток.

Вихревое электрическое поле по некоторым свойствам отличается от уже известных нам электрических полей: электростатического поля и стационарного поля зарядов, образующих постоянный ток.

1. Линии вихревого поля замкнуты, тогда как линии электростатического и стационарного полей начинаются на положительных зарядах и оканчиваются на отрицательных.
2.

Вихревое поле непотенциально: его работа перемещению заряда по замкнутому контуру не равна нулю.

Иначе вихревое поле не могло бы создавать электрический ток! В то же время, как мы знаем, электростатическое и стационарное поля являются потенциальными.

Итак, Эдс индукции в неподвижном контуре — это работа вихревого электрического поля по перемещению единичного положительного заряда вокруг контура .

Пусть, например, контур является кольцом радиуса и пронизывается однородным переменным магнитным полем. Тогда напряжённость вихревого электрического поля одинакова во всех точках кольца. Работа силы , с которой вихревое поле действует на заряд , равна:

Следовательно, для Эдс индукции получаем:

Эдс индукции в движущемся проводнике

Если проводник перемещается в постоянном магнитном поле, то в нём также появляется Эдс индукции. Однако причиной теперь служит не вихревое электрическое поле (оно не возникает — ведь магнитное поле постоянно), а действие силы Лоренца на свободные заряды проводника.

Рассмотрим ситуацию, которая часто встречается в задачах. В горизонтальной плоскости расположены параллельные рельсы, расстояние между которыми равно . Рельсы находятся в вертикальном однородном магнитном поле . По рельсам движется тонкий проводящий стержень со скоростью ; он всё время остаётся перпендикулярным рельсам (рис. 9).

Рис. 9. Движение проводника в магнитном поле

Возьмём внутри стержня положительный свободный заряд . Вследствие движения этого заряда вместе со стержнем со скоростью на заряд будет действовать сила Лоренца:

Направлена эта сила вдоль оси стержня, как показано на рисунке (убедитесь в этом сами — не забывайте правило часовой стрелки или левой руки!).

Сила Лоренца играет в данном случае роль сторонней силы: она приводит в движение свободные заряды стержня. При перемещении заряда от точки к точке наша сторонняя сила совершит работу:

(Длину стержня мы также считаем равной .) Стало быть, Эдс индукции в стержне окажется равной:

(7)

Таким образом, стержень аналогичен источнику тока с положительной клеммой и отрицательной клеммой . Внутри стержня за счёт действия сторонней силы Лоренца происходит разделение зарядов: положительные заряды двигаются к точке , отрицательные — к точке .

Допустим сначала,что рельсы непроводят ток.Тогда движение зарядов в стержне постепенно прекратится.

Ведь по мере накопления положительных зарядов на торце и отрицательных зарядов на торце будет возрастать кулоновская сила, с которой положительный свободный заряд отталкивается от и притягивается к — и в какой-то момент эта кулоновская сила уравновесит силу Лоренца. Между концами стержня установится разность потенциалов, равная Эдс индукции (7).

Теперь предположим, что рельсы и перемычка являются проводящими. Тогда в цепи возникнет индукционный ток; он пойдёт в направлении (от «плюса источника» к «минусу» N).

Предположим, что сопротивление стержня равно (это аналог внутреннего сопротивления источника тока), а сопротивление участка равно (сопротивление внешней цепи).

Тогда сила индукционного тока найдётся по закону Ома для полной цепи:

Замечательно, что выражение (7) для Эдс индукции можно получить также с помощью закона Фарадея. Сделаем это.
За время наш стержень проходит путь и занимает положение (рис. 9). Площадь контура возрастает на величину площади прямоугольника :

Магнитный поток через контур увеличивается. Приращение магнитного потока равно:

Скорость изменения магнитного потока положительна и равна Эдс индукции:

Мы получили тот же самый результат, что и в (7). Направление индукционного тока, заметим, подчиняется правилу Ленца. Действительно, раз ток течёт в направлении , то его магнитное поле направлено противоположно внешнему полю и, стало быть, препятствует возрастанию магнитного потока через контур.

На этом примере мы видим, что в ситуациях, когда проводник движется в магнитном поле, можно действовать двояко: либо с привлечением силы Лоренца как сторонней силы, либо с помощью закона Фарадея. Результаты будут получаться одинаковые.

Источник: https://ege-study.ru/ru/ege/materialy/fizika/elektromagnitnaya-indukciya/

Магнитное поле. Электромагнитная индукция. Часть 3. Электромагнитная индукция. урок. Физика 9 Класс

3.5 Электромагнитная индукция

Как же всё-таки возникает ток на электростанции? Оказывается, если вдвигать постоянный магнит в катушку, в катушке возникнет ток. Чтобы это увидеть, можно подключить катушку к гальванометру.

Рис. 13 – Возникновение тока в катушке при движении магнита

Что такое гальванометр?

Если не вдаваться в особенности строения гальванометра, то это прибор, стрелка которого отклоняется при протекании через него тока. Он с его помощью можно измерить силу тока, причем очень маленькую, десятки микроампер.

Можно проградуировать его шкалу в единицах напряжения. Чтобы это был полноценный амперметр или вольтметр, нужно добавить определенное внутреннее сопротивление прибора.

Нас же сейчас интересует гальванометр не столько как измерительный прибор, сколько как индикатор, мы обнаруживаем сам факт, что ток протекает.

Если выдвигать магнит из катушки, ток тоже возникнет и его направление будет противоположным тому, который возникал при движении магнита в катушку.

Причем обратите внимание, ток протекает в катушке именно в процессе движения магнита – когда движение прекращается, ток пропадает.

Эта деталь мешала обнаружить этот ток его первооткрывателю Фарадею, подробнее об опыте Фарадея вы можете узнать в ответвлении.

Опыт Фарадея

Когда обнаружили, что вокруг проводника с током возникает магнитное поле, у ученых того времени возникла мысль: а не может ли из-за магнитного поля возникнуть ток в проводнике? Ведь стало понятно, что связь между ними какая-то есть. Майкл Фарадей пытался обнаружить такое возникновение тока, спровоцированное магнитным полем. Он подключал катушку к гальванометру, помещал в неё постоянный магнит и следил за стрелкой гальванометра.

В то время приборы были не такими помехозащищёнными, точными и надежными, как сейчас, поэтому, по одной из версий, гальванометр находился далеко от катушки, возможно даже в соседней комнате, чтобы никакие вибрации не создавали помехи.

Поэтому, когда Фарадей помещал магнит в катушку, именно во время движения магнита в катушке возникал ток, и стрелка гальванометра отклонялась.

Но когда магнит останавливался и ученый подходил к гальванометру, протекание тока уже прекращалось.

Считается, что обнаружить явление электромагнитной индукции помог ученик Фарадея, который находился возле гальванометра в момент, когда Фарадей помещал в катушку магнит, и заметил отклонение стрелки.

Это явление назвали электромагнитной индукцией, а возникающий при этом ток – индукционным.

Возникновение этого тока не должно нас удивлять при том, что мы уже знаем об электромагнитном поле. Мы изучили силу, которая действует на движущийся электрический заряд в магнитном поле.

Но движение относительно, и заряд движется в магнитном поле или источник магнитного поля движется относительно заряда – это может быть одна и та же ситуация при рассмотрении в разных системах отсчета.

И возможна ситуация, когда электроны будут двигаться в магнитном поле вместе с проводником, а сила, с которой на них действует магнитное поле, будет заставлять их двигаться вдоль проводника, то есть создаст электрический ток. Так что это еще одно проявление электромагнитного взаимодействия зарядов в атомах магнита и свободных зарядов в проводнике.

Для описания этого явления ввели удобный математический инструмент – магнитный поток через выбранную площадь. Что это за выбранная площадь? Мы рассматриваем возникновение тока в замкнутом контуре, и в этом случае ток будет зависеть от магнитного потока через площадь контура.

Так вот, магнитный поток – это по определению произведение магнитной индукции  на площадь , поток через которую вычисляется, и на косинус угла между вектором  и перпендикуляром к площади. Обозначать магнитный поток договорились большой греческой буквой , запишем:

Единицу измерения магнитного потока назвали вебер:

Теперь легко описать электромагнитную индукцию: при изменении магнитного потока через замкнутый контур в нем возникает ток, пропорциональный скорости изменения магнитного потока:

Коэффициентом пропорциональности здесь будет сопротивление всего контура . Это может быть суммарное сопротивление проводов, если контур состоит только из проводов, или сопротивление проводов плюс приборов, если в цепь включены какие-то приборы, как тот же гальванометр:

И вот что удобно: эта модель универсальна для разных случаев электромагнитной индукции. Магнит вдвигают в катушку – изменяется индукция магнитного поля  через площадь одного витка, легко вычислить магнитный поток через виток, а так как это катушка, то умножаем магнитный поток через один виток на количество витков в катушке.

Магнит выдвигают из катушки – опять изменяется  и опять легко вычислить изменение магнитного потока , а значит и индукционный ток. Виток поворачивают в магнитном поле – изменяется угол между вектором  и перпендикуляром к площади витка, а значит – изменение магнитного потока и индукционный ток легко посчитать.

Мы можем изменить форму и площадь витка – и снова наша модель применима, изменение площади витка означает изменение магнитного потока через эту площадь.

Модуль тока мы определили. А как определить его направление? В опыте с магнитом, катушкой и гальванометром ток был направлен то в одну, то в другую сторону, в зависимости от того, в какую сторону движется магнит и каким полюсом. Эти направления должны подчиняться какой-то закономерности. Эту закономерность обнаружил ученый Эмилий Ленц, и она названа в его честь правилом Ленца.

Возникающий при изменении магнитного потока электрический ток направлен так, чтобы его магнитное поле противодействовало тому изменению магнитного потока, которое вызвало этот ток.

Давайте разберемся на примере, определим направление индукционного тока, который возникает, если вставить в него постоянный магнит северным полюсом вниз.

Магнитный поток создается магнитным полем, индукция которого направлена вниз. Магнитный поток увеличивается, так как при неизменной площади витков и при отсутствии вращения увеличивается магнитная индукция.

По правилу Ленца магнитное поле должно противодействовать этому увеличению, поэтому магнитное поле тока в катушке будет направлено противоположно магнитному полю магнита, то есть вверх.

По правилу буравчика определяем, в каком направлении течет ток, если вектор магнитной индукции его магнитного поля направлен вверх.

Рис. 14 – Направление индукционного тока в катушке при погружении в нее магнита

А если затем этот магнит вытащить из катушки? Линии индукции магнитного поля по-прежнему направлены вниз, магнитный поток через катушку уменьшается. По правилу Ленца магнитное поле индукционного тока будет противодействовать этому уменьшению, то есть это магнитное поле будет как бы поддерживать уменьшающееся поле магнита, оно будет с ним со направлено, будет тоже направлено вниз.

Рис. 15 — Направление индукционного тока в катушке при отдалении от нее магнита

Самоиндукция

Изменяющееся магнитное поле (количественно это удобнее выразить через магнитный поток) создаёт электрический ток в проводнике, это явление электромагнитной индукции. Давайте рассмотрим катушку, в которой мы увеличиваем силу тока. Ток в катушке создает магнитное поле катушки. Так как мы увеличиваем силу тока, то будет увеличиваться и индукция магнитного поля.

И что мы имеем: изменяющееся магнитное поле вокруг катушки. Можно даже вычислить магнитный поток через катушку, и этот магнитный поток будет изменяться. А при изменении магнитного потока в катушке должен возникать индукционный ток! Давайте разберемся, куда он может быть направлен.

Изобразим направление тока в катушке и по правилу буравчика магнитное поле катушки. Оно увеличивается, значит, по правилу Ленца, магнитное поле индукционного тока должно быть направлено противоположно нарастающему полю. Найдем направление индукционного тока, он будет направлен против того изначального нарастающего тока.

Такое явление, когда изменение магнитного поля катушки создает индукционный ток в этой же катушке, назвали самоиндукцией.

Конечно, неудобно рассматривать два тока, протекающие одновременно в одной катушке, мы рассмотрим их сумму. Так как токи направлены в противоположные стороны, то индукционный ток будет вычитаться из начального тока.

Полностью прекратиться протекание тока или его нарастание не может, потому что тогда не будет изменяться магнитное поле и не будет возникать «сдерживающий» индукционный ток. А вот замедление нарастания тока происходит. Ток в катушке не только медленнее нарастает из-за самоиндукции, но и медленнее убывает.

Можете в качестве упражнения проследить за процессами в катушке при уменьшении тока.

Токи самоиндукции могут вредить электроприборам в моменты их включения и выключения, и это нужно учитывать при их проектировании. Но вот это явление инерционности, что ток не нарастает и не убывает мгновенно, можно и использовать, нам оно еще пригодится.

Источник: https://interneturok.ru/lesson/physics/9-klass/effektivnye-kursy/magnitnoe-pole-elektromagnitnaya-induktsiya-chast-3-elektromagnitnaya-induktsiya

Тема 3.5 «Электромагнитная индукция»

3.5 Электромагнитная индукция

Задание: подготовка докладов по темам:

Ø Майкл Фарадей – создатель учения об электрическом поле.

Ø Ханс Кристиан Эрстед – основоположник электромагнетизма.

Ø Никола Тесла: жизнь и необычайные открытия.

Ø Эмилий Христианович Ленц – русский физик.

Самостоятельная работа №11

Раздел IV Колебания и волны

Тема 4.2 «Упругие волны»

Задание: подготовка докладов по темам:

Ø Ультразвук (получение, свойства, применение)

Ø Физика и музыка.

Самостоятельная работа №12

Раздел IV Колебания и волны

Тема 4.3 «Электромагнитные колебания»

Задание: подготовка докладов по темам:

Ø Переменный электрический ток и его применение

Ø Использование электроэнергии в транспорте

Ø Производство, передача и использование электроэнергии

Ø Трансформаторы

Самостоятельная работа №13

Раздел IV Колебания и волны

Тема 4.4 «Электромагнитные волны»

Задание: подготовка докладов по темам:

Ø Александр Григорьевич Столетов – русский физик

Ø Современная спутниковая связь

Ø Современные средства связи

Ø Развитие средств связи и радио

Самостоятельная работа №14

Раздел V Оптика

Тема 5.2 «Волновые свойства света»

Задание: подготовка докладов по темам:

Ø Голография и ее применение

Ø Дифракция в нашей жизни

Ø Свет – электромагнитная волна

Ø Шкала электромагнитных волн

Ø Бесконтактные методы контроля температуры

Ø Оптические явления в природе

Самостоятельная работа №15

Раздел VI Элементы квантовой физики

Тема 6.1 «Квантовая оптика»

Задание: подготовка докладов по темам:

Ø Макс Планк

Ø Нильс Бор – один из создателей современной физики

Ø Фотоэффект. Применение явления фотоэффекта

Ø Фотоэлементы

Самостоятельная работа №16

Раздел VI Элементы квантовой физики

Тема 6.2 «Физика атома»

Задание: подготовка докладов по темам:

Ø Конструкция и виды лазеров

Ø Лазерные технологии и их использование

Ø Нанотехнологии – междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники

Самостоятельная работа №17

Раздел VI Элементы квантовой физики

Тема 6.3 «Физика атомного ядра»

Задание: подготовка докладов по темам:

Ø Игорь Васильевич Курчатов – физик, организатор атомной науки и техники

Ø Атомная физика. Изотопы. Применение радиоактивных изотопов

Ø Рентгеновские лучи. История открытия. Применение

Ø Классификация и характеристики элементарных частиц

Ø Ускорители заряженных частиц

Ø Методы наблюдения и регистрации радиоактивных излучений и частиц

Ø Применение ядерных реакторов

Самостоятельная работа №18

Раздел VII Эволюция Вселенной

Тема 7.2 «Эволюция звезд. Гипотеза происхождения Солнечной системы»

Задание: подготовка рефератов по темам:

Ø Вселенная и темная материя

Ø Астероиды

Ø Управляемый термоядерный синтез

Ø Нуклеосинтез во Вселенной

Ø Происхождение Солнечной системы

Ø Рождение и эволюция звезд

Ø Солнце – источник жизни на Земле

Ø Черные дыры

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Основная литература:

1.Мякишев Г.Я. Физика 10 класс: учеб. для общеобразовательных орган.: базовый уровень./ Г.Я Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский, – М.: Просвещение, 2014.- 416 с.

2.Мякишев Г.Я. Физика 11 класс: учеб. для общеобразовательных орган.: базовый уровень. – / Г.Я Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский М.: Просвещение 2014.- 432 [1] с.

3.Кабардин О.Ф. Физика 10 класс: уч. для общеобразов. орган.: углублённый уровень/ О.Ф Кабардин [и др] М.Просвещение,2014-416 с.

4.Кабардин О.Ф. Физика 11 класс: уч. для общеобразов. орган.: углублённый уровень.- 15е издание/ — О.Ф Кабардин [и др] М.:Просвещение,2014-416 с.

Дополнительная литература:

5.Дмитриева В.Ф. Физика для профессий и специальностей технического профиля: учебник для образоват. учреждений нач. и сред.проф. образования/ В.Ф. Дмитриева. – 5–е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2014. – 448 с.

6.Дмитриева В.Ф. Физика для профессий и специальностей технического профиля. Сборник задач: учеб.пособие для студ. учреждений сред. проф. образования / В.Ф. Дмитриева. – 4ё–е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2014. – 256 с.

7.Дмитриева В.Ф. Физика для профессий и специальностей технического профиля. Контрольные материалы: учеб.пособие для студ. учреждений сред. проф. образования/ В.Ф. Дмитриева, Л. И. Васильев. – 3–е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2014. – 112 с.

Электронные ресурсы:

8.Министерство образования и науки РФ www.mon.gov.ru

9. Российский образовательный портал www.edu.ru

10. Департамент образования Тверской области www.edu.tvel.ru

11.Тверской областной институт усовершенствования www.tiuu.ru

12.Представление опыта работы, класс физика physicam.ru>profskill/22/50.htm

Уколова Юлия Валериевна

Практикум по самостоятельной работе

для студентов (курсантов) всех технических специальностей

Судомеханический техникум ФГБОУ ВО «Керченский государственный морской технологический университет»

298309 г. Керчь, Орджоникидзе, 123

Источник: https://cyberpedia.su/13x972d.html

Biz-books
Добавить комментарий