Главная / Физика / Методическая разработка по физике для теоретического занятия по теме: «Электромагнитная индукция».

Методическая разработка по физике для теоретического занятия по теме: «Электромагнитная индукция».

ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ СРЕДНЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ НОВОСИБИРСКОЙ ОБЛАСТИ «КУПИНСКИЙ МЕДИЦИНСКИЙ ТЕХНИКУМ»













МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА

ТЕОРЕТИЧЕСКОГО ЗАНЯТИЯ



По дисциплине: «ФИЗИКА»





Тема: «Электромагнитная индукция»

Специальность: 060501 Сестринское дело

базовый уровень среднего профессионального образования Курс: 1









Купино

2014 учебный год

Рассмотрена на заседании

Цикловой комиссии

Протокол № _____

от «_____» _________20____г.

Председатель: _____________










Автор – составитель: преподаватель дисциплины «Физика» Тюменцева О.Н.





























Купино

2014 г


Пояснительная записка

к методической разработке для дисциплины «Физика» по теме «Электромагнитная индукция».

В программе для данной темы отведено 2 часа.

Методическое пособие разработано для преподавателя с целью выявления и систематизации знаний студентов по данной теме.

Основными задачами является закрепление и углубление теоретических знаний у студентов по данной теме.

Методическое пособие составлено в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта для использования на теоретических занятиях в рамках специальности 060501 Сестринское дело профильный уровень среднего профессионального образования.

После изучения данной темы студент должен:

- Знать и понимать смысл:

физических понятий: электромагнитное поле;

физических величин: магнитный поток, индуктивность.

Методическая разработка состоит из «Содержания занятия» (приложение №1), «Вопросов для фронтального опроса» (приложение №2), «Материала для закрепления знаний, которыми должен обладать студент» (приложение № 3,4).











УЧЕБНО – МЕТОДИЧЕСКИЙ ПЛАН ЗАНЯТИЯ

Тема занятия: «Электромагнитная индукция»

Вид занятия: теоретическое занятие

Место проведения: лекционная аудитория

Продолжительность проведения занятия 90 минут

Цели занятия:

1. Образовательная: После изучения темы студент должен знать: понятие электромагнитного поля; физических величин: магнитный поток, индуктивность.

2. Воспитательная: Формирование сознательного отношения к процессу обучения, стремления к самостоятельной работе и всестороннему овладению специальностью.

3. Развивающая: Развитие интереса к учебному предмету, содействие активизации мышления обучающихся. Развить познавательную деятельность обучающихся, по овладению программным учебным материалом, по дисциплине «Физика».

Требования ГОС к уровню подготовки студента студент должен:

- Знать и понимать смысл:

физических понятий: электромагнитное поле;

физических величин: магнитный поток, индуктивность.












Междисциплинарная интеграция:

Полотно 60




Внутридисциплинарная интеграция:

Прямая соединительная линия 48Прямая соединительная линия 47



Электромагнитная индукция

Постоянный электрический ток



Магнитное поле





Материально-техническое обеспечение занятия:

Методическое обеспечение занятия: задачи, тесты

Домашнее задание:

Тема: Электромагнитная индукция работа над учебным материалом Г.Я.Мякишев «Физика11»§ 8-17, стр.27-50







Приложение №1

СОДЕРЖАНИЕ ЗАНЯТИЯ

Открытие электромагнитной индукции. До сих пор мы рассматривали электрические и магнитные поля, не изменяющиеся с течением времени. Было выяснено, что электростатическое поле создается неподвижными заряженными частицами, а магнитное поле — движущимися, т. е. электрическим током. Теперь познакомимся с электрическими и магнитными полями, которые меняются со временем. Самый важный факт, который удалось обнаружить, — это теснейшая взаимосвязь между электрическим и магнитным полями. Оказалось, что изменяющееся во времени магнитное поле порождает электрическое поле, а изменяющееся электрическое поле — магнитное. Без этой связи между полями разнообразие проявлений электромагнитных сил не было бы столь обширным, каким оно наблюдается на самом деле. Не существовало бы ни радиоволн, ни света.
В 1821 г. М. Фарадей записал в своем дневнике: «Превратить магнетизм в электричество». Через 10 лет эта задача была им решена. Не случайно первый, решающий шаг в открытии новых свойств электромагнитных взаимодействий сделан основоположником представлений об электромагнитном поле М. Фарадеем, который был уверен в единой природе электрических и магнитных явлений. Благодаря этому он и сделал открытие, вошедшее в основу устройства генераторов всех электростанции мира, превращающих механическую энергию в энергию электрического тока. (Источники, работающие на других принципах: гальванические элементы, аккумуляторы и пр., — дают ничтожную долю вырабатываемой электрической энергии.)
Эhello_html_m7e1e3874.jpgлектрический ток, рассуждал М. Фарадей, способен намагнитить кусок железа. Не может ли магнит, в свою очередь, вызвать появление электрического тока? Долгое время эту связь обнаружить не удавалось. Трудно было додуматься до главного, а именно: движущийся
магнит, или меняющееся во времени магнитное поле, может возбудить электрический ток в катушке. Какого рода случайности могли помешать открытию, показывает следующий факт. Почти одновременно с Фарадеем получить электрический ток в катушке с помощью магнита пытался швейцарский физик Колладон. В ходе работы он пользовался гальванометром, легкая магнитная стрелка которого помещалась внутри катушки прибора. Чтобы магнит не оказывал непосредственного влияния на стрелку, концы катушки, куда Колладон вводил магнит, надеясь получить в ней ток, были выведены в соседнюю комнату и там присоединены к гальванометру. Вставив магнит в катушку, Колладон шел в соседнюю комнату и с огорчением убеждался, что гальванометр не показывает тока. Стоило бы ему все время наблюдать за гальванометром, а кого-нибудь попросить заняться магнитом, замечательное открытие было бы сделано. Но этого не случилось. Покоящийся относительно катушки магнит не вызывает в ней тока.

Явление электромагнитной индукции заключается в возникновении электрического тока в проводящем контуре, который либо покоится в переменном во времени магнитном поле, либо движется в постоянном магнитном поле таким образом, что число линий магнитной индукции, пронизывающих контур, меняется. Это явление было открыто 29 августа 1831 г. Редкий случай, когда дата нового замечательного открытия  известна так точно!

Сначала Фарадеем была открыта электромагнитная индукция в неподвижных относительно друг друга проводниках при замыкании и размыкании цепи. Затем, ясно понимая, что сближение или удаление проводников с током должно приводить к тому же результату, что и замыкание и размыкание цепи, Фарадей с помощью опытов доказал: ток возникает при перемещении катушек относительно друг друга. Знакомый с трудами Ампера, Фарадей понимал, что магнит — это совокупность маленьких токов, циркулирующих в молекулах. 17 октября, как зарегистрировано и его лабораторном журнале, был обнаружен индукционный ток в катушке во время введения (или удаления) магнита.

В течение одного месяца Фарадей опытным путем установил все главные особенности явления электромагнитной индукции. В настоящее время опыты Фарадея может повторить каждый. Для этого надо иметь две катушки, магнит, батарею элементов и достаточно чувствительный гальванометр.

В установке, изображенной на рисунке 2.1, а, индукционный ток возникает в одной из катушек в момент замыкания или размыкания электрической цепи другой катушки, неподвижной относительно первой. В других опытах индукционный ток возникает при изменении силы тока в одной из катушек с помощью реостата (рис. 2.1, б), при движении катушек относительно друг друга (рис. 2.2, а), при движении постоянного магнита относительно катушки (рис. 2.2, б).

Уже сам Фарадей заметил то общее, от чего зависит появление индукционного тока в опытах, которые поставлены по-разному.

В замкнутом проводящем контуре возникает ток при изменении числа линий магнитной индукции, пронизывающих  поверхность,   ограниченную  этим   контуром.
 Иhello_html_m4db6da75.jpg чем быстрее меняется число линий магнитной индукции, тем больше возникающий индукционный ток. При этом причина изменения числа линий магнитной индукции не существенна. Это может быть и изменение числа линий магнитной индукции, пронизывающих поверхность, ограниченную неподвижным проводящим контуром, вследствие изменения силы тока в соседней катушке (см. рис. 2.1, б), и изменение числа линий индукции вследствие движения контура в неоднородном магнитном поле, густота линий которого меняется в пространстве (рис. 2.3).

Вhello_html_7453b07e.jpg проводящем замкнутом контуре возникает электрический ток, если контур находится в переменном магнитном поле или движется в постоянном во времени магнитном поле так, что чисто линий магнитной индукции, пронизывающих контур, меняется.

Магнитный поток Для того чтобы дать точную количественную формулировку закона электромагнитной индукции Фарадея, нужно ввести новую величину — поток вектора магнитной индукции.

Вектор магнитной индукции hello_html_m7c99d31d.jpg характеризует магнитное поле в каждой точке пространства. Можно ввести еще одну величину, зависящую от значений вектора hello_html_m6327b110.png не в одной точке, а во всех точках поверхности, ограниченной плоским замкнутым контуром.

Для этого рассмотрим плоский замкнутый проводник (контур), ограничивающий поверхность площадью S и помещенный в однородное магнитное поле (рис. 2.4). Нормаль hello_html_m7d761a35.jpg(вектор, модуль которого равен единице) к плоскости проводника составляет угол hello_html_58df7f65.jpgс направлением вектора магнитной индукции hello_html_1d6cdc92.jpg. Магнитным потоком Ф (потоком Вектора магнитной индукции) через поверхность площадью S называют величину, равную произведению модуля вектора магнитной индукции hello_html_m6327b110.png на площадь S и косинус угла hello_html_28a8773.pngмежду векторами  hello_html_m6327b110.png и hello_html_m45623086.png: hello_html_1034eaa9.jpg
Произведение
hello_html_m3a0c9d28.jpgпредставляет собой проекцию вектора магнитной индукции на нормаль hello_html_m45623086.png к плоскости контура. Поэтому
hello_html_m142bb6cb.jpg
Мhello_html_m47bf6152.jpgагнитный поток тем больше, чем больше В
n и S. Величина Ф названа «магнитным потоком» по аналогии с потоком воды, который тем больше, чем больше скорость течения воды и площадь сечения трубы.

Магнитный поток графически можно истолковать как величину, пропорциональную числу линий магнитной индукции, пронизывающих поверхность площадью S.

Единицей магнитного потока является вебер. Магнитный поток в 1 вебер (1 Вб) создается однородным магнитным полем с индукцией 1 Тл через поверхность площадью 1 м2, расположенную перпендикулярно вектору магнитной индукции.

Магнитный поток зависит от ориентации поверхности, которую пронизывает магнитное поле.

Направление индукционного тока. Правило Ленца. Присоединив катушку, в которой возникает индукционный ток, к гальванометру, можно обнаружить, что направление этого тока зависит от того, приближается ли магнит к катушке (например, северным полюсом) или удаляется от нее (см. рис. 2.2, б).

Возникающий индукционный ток того или иного направления как-то взаимодействует с магнитом (притягивает или отталкивает его). Катушка с проходящим по ней током подобна магниту с двумя полюсами — северным и южным. Направление индукционного тока определяет, какой конец катушки выполняет роль северного полюса (линии магнитной индукции выходят из него). На основе закона сохранения энергии можно предсказать, в каких случаях катушка будет притягивать магнит, а в каких отталкивать его.

Взаимодействие индукционного тока с магнитом. Если магнит приближать к катушке, то в ней появляется индукционный ток такого направления, что магнит обязательно отталкивается. Для сближения магнита и катушки нужно совершить положительную работу. Катушка становится подобной магниту, обращенному одноименным полюсом к приближающемуся к ней магниту. Одноименные же полюса отталкиваются.

При удалении магнита, наоборот, в катушке возникает ток такого направления, чтобы появилась притягивающая магнит сила.
Вhello_html_798c20f3.jpg чем состоит различие двух опытов: приближение магнита к катушке и его удаление? В первом случае число линий магнитной индукции, пронизывающих витки катушки, или, что то же самое, магнитный поток, увеличивается (рис. 2.5, а), а во втором случае уменьшается (рис. 2.5, б). Причем в первом случае линии
индукции hello_html_m4fab45b8.jpg магнитного поля, созданного возникшим в катушке индукционным током, выходят из верхнего конца катушки, так как катушка отталкивает магнит, а во втором случае, наоборот, входят в этот конец. Эти линии магнитной индукции на рисунке 2.5 изображены черным цветом. В случае, а катушка с током аналогична магниту, северный полюс которого находится сверху, а в случае б — снизу.

Аналогичные выводы можно сделать с помощью опыта, показанного на рисунке 2.6. На концах стержня, который может свободно вращаться вокруг вертикальной оси, закреплены два проводящих алюминиевых кольца. Одно из них с разрезом. Если поднести магнит к кольцу без разреза, то в нем возникнет индукционный ток и направлен он будет так, что это кольцо оттолкнется от магнита и стержень повернется. Если удалять магнит от кольца, то оно, наоборот, притянется к магниту. С разрезанным кольцом магнит не взаимодействует, так как разрез препятствует возникновению в кольце индукционного тока. Отталкивает или притягивает катушка магнит, это зависит от направления индукционного тока в ней. Поэтому закон сохранения энергии позволяет сформулировать правило, определяющее направление индукционного тока.
Пhello_html_m4e7b3666.jpgравило Ленца. Теперь мы подошли к главному: при увеличении магнитного потока через витки катушки индукционный ток имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле препятствует усилению магнитного потока через витки катушки. Ведь линии индукции hello_html_m3b7cd5a2.jpg этого поля направлены против линий индукции hello_html_1d6cdc92.jpg поля, изменение которого порождает электрический ток. Если же магнитный поток через катушку ослабевает, то индукционный
ток создает магнитное поле с индукцией hello_html_m3b7cd5a2.jpg, увеличивающее магнитный поток через витки катушки.

В этом и состоит сущность общего правила определения направления индукционного тока, которое применимо во всех случаях. Это правило было установлено русским физиком Э. X. Ленцем.

Согласно правилу Ленца возникающий в замкнутом контуре индукционный ток своим магнитным полем противодействует тому изменению магнитного потока, которым он вызван. Более кратко это правило можно сформулировать следующим образом: индукционный ток направлен так, чтобы препятствовать причине, его вызывающей.

Применять правило Ленца для нахождения направления индукционного тока в контуре надо так:
1.    Определить направление линий магнитной индукции hello_html_1d6cdc92.jpgвнешнего магнитного поля.
2.    Выяснить, увеличивается ли поток вектора магнитной индукции этого поля через поверхность, ограниченную контуром (hello_html_m73248d4f.jpgФ > 0), или уменьшается (hello_html_m73248d4f.jpgФ < 0).
3.    Установить направление линий магнитной индукции hello_html_m3b7cd5a2.jpg магнитного поля индукционного тока. Эти линии должны быть согласно правилу Ленца направлены противоположно линиям магнитной индукции hello_html_m3b7cd5a2.jpg при hello_html_m73248d4f.jpgФ > 0 и иметь одинаковое с ними направление при hello_html_m73248d4f.jpgФ < 0.   
4.    Зная направление линий магнитной индукции hello_html_m3b7cd5a2.jpg, найти направление индукционного тока, пользуясь правилом буравчика.
Направление индукционного тока определяется с помощью закона сохранения энергии. Индукционный ток во всех случаях направлен так, чтобы своим магнитным полем препятствовать изменению магнитного потока, вызывающего данный индукционный ток.

Закон электромагнитной индукции. Сформулируем закон электромагнитной индукции количественно. Опыты Фарадея показали, что сила индукционного тока lі, в проводящем контуре пропорциональна скорости изменения числа линий магнитной индукции hello_html_1d6cdc92.jpg, пронизывающих поверхность, ограниченную этим контуром. Более точно это утверждение можно сформулировать, используя понятие «магнитный поток».

Магнитный поток можно графически представить как число линий магнитной индукции, пронизывающих поверхность площадью S. Чем больше индукция магнитного поля, тем большее число линий магнитной индукции пронизывает эту поверхность. Поэтому скорость изменения этого числа есть не что иное, как скорость изменения магнитного потока.

Если за малое время hello_html_m73248d4f.jpgt магнитный поток меняется на hello_html_m73248d4f.jpgФ, то скорость изменения магнитного потока равна hello_html_2e70dd29.jpg.

Поэтому утверждение, которое вытекает непосредственно из опыта, можно сформулировать так: сила индукционного тока пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром:
hello_html_48ce7519.jpg
ЭДС индукции. Известно, что в цепи появляется электрический ток в том случае, когда на свободные заряды проводника действуют сторонние силы. Величину, численно равную работе этих сил при перемещении единичного положительного заряда вдоль замкнутого контура, называют электродвижущей силой. Следовательно, при изменении магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, в контуре появляются сторонние силы, действие которых характеризует ЭДС, называемая ЭДС индукции. Обозначают ее буквой hello_html_50d97c81.jpg. Согласно закону Ома для замкнутой цепи hello_html_m74a3f14e.jpg. Сопротивление проводника не зависит от изменения магнитного потока. Следовательно, соотношение (2.3) справедливо  только  потому,   что  ЭДС индукции пропорциональна hello_html_2e70dd29.jpg.
Зhello_html_41b6d7cf.jpgакон электромагнитной индукции. Закон электромагнитной индукции формулируется   именно для ЭДС, а не для силы индукционного тока, т. к. сила тока зависит и от свойств проводника, для ЭДС определяется только изменением магнитного потока. Согласно  закону электромагнитной индукции  ЭДС индукции в замкнутом контуре равна по модулю , скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром:
hello_html_4447e9e7.jpg
Как в законе электромагнитной индукции учесть направление индукционного тока (или знак ЭДС индукции) в соответствии с правилом Ленца?

На рисунке 2.7 изображен замкнутый контур. Будем считать положительным направление обхода контура против часовой стрелки. Нормаль hello_html_m7d761a35.jpg. к контуру образует правый винт с направлением обхода.

Пусть магнитная индукция hello_html_1d6cdc92.jpg внешнего магнитного поля направлена вдоль нормали к контуру и возрастает со временем.  Тогда Ф > 0 и hello_html_m898ccf5.png. Согласно правилу Ленца индукционный  ток создает магнитный поток Ф' < 0. Линии индукции В' магнитного поля индукционного тока изображены па рисунке 2.7 черным цветом. Следовательно, индукционный ток согласно правилу буравчика направлен по часовой стрелке (против направления положительного обхода) и ЭДС индукции отрицательна. Поэтому в формуле для закона электромагнитной индукции должен стоять знак «-», указывающий  на то, что  hello_html_m13a6a9be.jpgи hello_html_m898ccf5.png. имеют разные знаки:
 
hello_html_22d0805.jpg

ЭДС индукции определяется скоростью изменения магнитного потока.

Вихревое электрическое поле. Магнитный поток Ф= BS cos hello_html_58df7f65.jpg. Изменение магнитного потока через контур может происходить: 1) в случае неподвижного проводящего контура, помещенного в изменяющееся во времени поле; 2) в случае проводника, движущегося в магнитном поло, которое может и не меняться со временем. Значение ЭДС индукции в обоих случаях определяется законом (2.1), по происхождение этой ЭДС различно.

Рассмотрим сначала первый случай возникновения индукционного тока. Поместим круговой проволочный виток радиусом r в переменное во времени однородное магнитное поле (рис. 2.8). Пусть индукция магнитного поля увеличивается, тогда будет увеличиваться со временем и магнитный поток через поверхность, ограниченную витком. Согласно закону электромагнитной индукции в витке появится индукционный ток. При изменении индукции магнитного поля по линейному закону индукционный ток будет постоянен.

Какие же силы заставляют заряды в витке двигаться? Само магнитное поле, пронизывающее катушку, этого сделать не может, так как магнитное поле действует исключительно на движущиеся заряды (этим-то оно и отличается от электрического), а проводник с находящимися в нем электронами неподвижен.

Кроме магнитного поля, на заряды, причем как на движущиеся, так и на неподвижные, действует еще электрическое поле. Но ведь те поля, о которых пока шла речь (электростатическое или стационарное), создаются электрическими зарядами, а индукционный ток появляется в результате действия меняющегося магнитного поля. Поэтому можно предположить, что электроны в неподвижном проводнике приводятся в движение электрическим полем, и это поле непосредственно порождается меняющимся магнитным полем. Тем самым утверждается новое фундаментальное свойство поля: изменяясь во времени, магнитное поле порождает электрическое поле. К этому выводу впервые пришел Дж. Максвелл.

Теперь явление электромагнитной индукции предстает перед нами в новом свете. Главное в нем — это процесс порождения полем магнитным поля электрического. При этом наличие проводящего   контура,   например катушки, не меняет существа процесса. Проводник с запасом свободных электронов (или других частиц) играет роль прибора: он лишь позволяет обнаружить возникающее электрическое поле.
hello_html_79ad03c0.jpgПоле приводит в движение электроны и проводнике и тем самым обнаруживает себя. Сущность явления электромагнитной индукции и неподвижном  проводнике состоит  не столько в появлении индукционного тока, сколько в возникновении электрического поля, которое приводит в движение электрические заряды.

Электрическое поле, возникающее при изменении магнитного поля, имеет совсем другую природу, чем электростатическое.

Оно не связано непосредственно с электрическими зарядами, и его линии напряженности не могут на них начинаться и кончаться. Они вообще нигде не начинаются и не кончаются, а представляют собой замкнутые линии, подобные линиям индукции магнитного поля. Это так называемое вихревое электрическое поле (рис. 2.9).

Чhello_html_1d94f7cf.jpgем быстрее меняется магнитная индукция, тем болыпе напряженность электрического поля. Согласно правилу Ленца при возрастании магнитной индукции hello_html_22721754.jpgнаправление вектора напряженности hello_html_690be169.jpgэлектрического поля образует левый винт с направлением вектора hello_html_1d6cdc92.jpg. Это означает, что при вращении винта с левой нарезкой в направлении линий напряженности электрического поля поступательное перемещение винта совпадает с направлением вектора магнитной индукции.  Напротив,  при убывании  магнитной индукции hello_html_m3d1d6495.pngнаправление вектора напряженности hello_html_690be169.jpgобразует правый винт с направлением вектора hello_html_1d6cdc92.jpg.

Направление силовых линий напряженности hello_html_690be169.jpgсовпадает с направлением индукционного тока. Сила, действующая со стороны вихревого электрического поля на заряд q (сторонняя сила), по-прежнему равна hello_html_1c4d44ef.jpg= qhello_html_690be169.jpg. Но в отличие от случая стационарного электрического поля работа вихревого поля по перемещению заряда q на замкнутом пути не равна нулю. Ведь при перемещении заряда вдоль замкнутой линии напряженности электрического поля работа на всех участках пути имеет один и тот же знак, так как сила и перемещение совпадают по направлению. Работа вихревого электрического поля при перемещении единичного положительного заряда вдоль замкнутого неподвижного проводника численно равна ЭДС индукции в этом проводнике.

Индукционные токи в массивных проводниках. Особенно большого числового значения индукционные токи достигают в массивных проводниках, из-за того, что их сопротивление мало.

Такие токи, называемые токами Фуко по имени исследовавшего их французского физика, можно использовать для нагревания проводников. На этом принципе основано устройство индукционных печей, например используемых в быту СВЧ-печей. Также этот принцип используется для плавки металлов. Кроме этого явление электромагнит-ной индукции используется в детекторах металла, устанавливаемых при входах в здания аэровокзалов, театров и т. д.

Однако во многих устройствах возникновение токов Фуко приводит к бесполезным и даже нежелательным потерям энергии на выделение тепла. Поэтому железные сердечники трансформаторов, электродвигателей, генераторов и т. д. делают не сплошными, а состоящими из отдельных пластин, изолированных друг от друга. Поверхности пластин должны быть перпендикулярны направлению вектора напряженности вихревого электрического поля. Сопротивление электрическому току пластин будет при этом максимальным, а выделение тепла — минимальным.

Применение ферритов. Радиоэлектронная аппаратура работает в области очень высоких частот (миллионы колебаний в секунду). Здесь применение сердечников катушек из отдельных пластин уже не дает нужного эффекта, так как большие токи Фуко возникают в каждой пластине.

В § 7 отмечалось, что существуют магнитные изоляторы — ферриты. При перемагничивании в ферритах не возникают вихревые токи. В результате потери энергии на выделение в них тепла сводятся к минимуму. Поэтому из ферритов делают сердечники высокочастотных трансформаторов, магнитные антенны транзисторов и др. Ферритовые сердечники изготовляют из смеси порошков исходных веществ. Смесь прессуется и подвергается значительной термической обработке.

При быстром изменении магнитного поля в обычном ферромагнетике возникают индукционные токи, магнитное поле которых, в соответствии с правилом Ленца, препятствует изменению магнитного потока в сердечнике катушки. Из-за этого поток магнитной индукции практически не меняется и сердечник не перемагничивается. В ферритах вихревые токи очень малы, поэтому их можно быстро перемагничивать.

Наряду с потенциальным кулоновским электрическим полем существует вихревое электрическое поле. Линии напряженности этого поля замкнуты. Вихревое поле порождается  меняющимся магнитным полем.

ЭДС индукции в движущихся проводниках Рассмотрим теперь второй случай возникновения индукционного тока.

При движении проводника его свободные заряды движутся вместе с ним. Поэтому на заряды со стороны магнитного поля действует сила Лоренца. Она-то и вызывает перемещение зарядов внутри проводника. ЭДС индукции, следовательно, имеет магнитное происхождение.

На многих электростанциях земного шара именно сила Лоренца вызывает перемещение электронов в движущихся проводниках.

Вhello_html_m5e8da79d.jpgычислим ЭДС индукции, возникающую в проводнике, движущемся в однородном магнитном поле (рис. 2.10). Пусть сторона контура MN длиной l скользит с постоянной скоростью hello_html_6ade14a.jpg вдоль сторон NC и MD, оставаясь, все время параллельной стороне CD. Вектор магнитной индукции hello_html_1d6cdc92.jpg однородного поля перпендикулярен проводнику и составляет угол hello_html_58df7f65.jpg с направлением его скорости.
 Сила, с которой магнитное ноле действует на движущуюся заряженную частицу, равна по модулю
hello_html_5db9e3a3.jpg
Направлена эта сила вдоль проводника MN. Работа силы Лоренца (
Это неполная работа силы Лоренца. Кроме силы Лоренца (см. формулу (2.5)), имеется составляющая силы Лоренца, направленная против скорости hello_html_6ade14a.jpgпроводника. Эта составляющая тормозит движение проводника и совершает отрицательную работу. В результате полная работа силы Лоренца оказывается равной нулю.) на пути l положительна и составляет:hello_html_3229ba23.jpg
Электродвижущая сила
индукции в проводнике MN равна, по определению, отношению работы по перемещению заряда q к этому зарядhello_html_c36d4db.jpg
Эта формула справедлива для любого проводника длиной I, движущегося со скоростью
hello_html_m6c920f02.png в однородном магнитном поле.

В других проводниках контура ЭДС равна нулю, так как эти проводники неподвижны. Следовательно, ЭДС во всем контуре MNCD равна hello_html_m609a36b3.pngи остается неизменной, если скорость движения hello_html_m131ede.png постоянна. Электрический ток при этом будет увеличиваться, так как при смещении проводника MN вправо уменьшается общее сопротивление контура.

ЭДС индукции можно вычислить также и с помощью закона электромагнитной индукции (см. формулу (2.4)). Действительно, магнитный поток через контур MNCD равен:Ф = ВS cos (90° - hello_html_58df7f65.jpg) = BSsin hello_html_58df7f65.jpg, где угол (90° — hello_html_58df7f65.jpg.) есть угол между вектором hello_html_m393d0579.pngи нормалью hello_html_m7d761a35.jpg к поверхности контура (рис. 2.11, вид сбоку), а S — площадь, ограниченная контуром MNCD. Если считать, что в начальный момент времени (t = 0) проводник MN находится на расстоянии NC от проводника СD (см. рис. 2.10), то при перемещении проводника площадь S изменяется со временем следующим образом:
hello_html_m7c5cfba3.jpg
hello_html_722767be.jpgЗа время hello_html_m73248d4f.jpgt площадь контура меняется нa hello_html_m69713011.jpg. Знак- «-» указывает на то, что она ументшается. Изменение магнитного потока за это время равно:


hello_html_6d47f5e0.jpg
Если весь контур MNCD движется в однородном магнитном поле, сохраняя свою ориентацию по отношению к вектору hello_html_1d6cdc92.jpg, то ЭДС индукции в контуре будет равна нулю, так как поток Ф через поверхность, ограниченную контуром, не меняется. Объяснить это можно так. При движении контура в проводниках MN и CD возникают силы (см. формулу (2.5)), действующие на электроны в направлениях от N к M и от С к D. Суммарная работа этих сил при обходе контура по часовой стрелке или против нее равна нулю.

ЭДС индукции возникает также при повороте рамки в магнитном поле, т. е. при изменении со временем угла hello_html_28a8773.png(см. § 31).

ЭДС индукции в проводниках, движущихся в постоянном магнитном поле, возникает за счет действия на заряды проводника силы Лоренца.

Электродинамический микрофон. В главе 1 вы ознакомились с электродинамическим громкоговорителем, преобразующим колебания электрического тока в звуковые колебания. Обратный процесс превращения звуковых колебаний воздуха в колебания электрического тока осуществляется с помощью микрофона.

Микрофоны широко применяются в радиовещании, телевидении, системах усиления звука и звукозаписи, для телефонной связи.

Действие одного из самых распространенных микрофонов — электродинамического — основано на явлении электромагнитной индукции. Этот микрофон устроен следующим образом. Диафрагма 2 из тонкой полистирольной пленки или алюминиевой фольги жестко связана со звуковой катушкой / из тонкой проволоки (рис. 2.12). Катушка помещается в кольцевом зазоре сильного постоянного магнита 3. Линии магнитной индукции перпендикулярны к виткам катушкиhello_html_m2befcf3f.jpg.

Звуковая волна вызывает колебания диафрагмы и связанной с ней катушки. При движении витков катушки в магнитном поле в них возникает переменная ЭДС индукции. В результате на зажимах катушки появляется переменное напряжение, вызывающее колебания электрического тока в цепи микрофона. Эти колебания после усиления могут бьггь поданы на громкоговоритель, записаны на магнитной лента и т. д.

Электродинамические микрофоны просты по конструкции, имеют небольшие габариты и надежны в эксплуатации. Искажения преобразуемых колебаний в интервале частот от 50 до 10 000 Гц невелики.

В телефонных аппаратах применяют менее совершенные, но зато более дешевые угольные микрофоны. Диафрагма в таких микрофонах действует на угольный порошок и создает в нем периодические сжатия и разрежения. От этого меняются сопротивление порошка и сила тока в электрической цепи микрофона. Существуют и другие типы микрофонов.

В громкоговорителе сила Ампера вызывает колебания катушки и связанной с ней диафрагмы.
В микрофоне колебания диафрагмы передаются подвижной катушке, и в ней возникает индукционный ток.

Самоиндукция. Индуктивность.

Самоиндукция. Если по катушке идет переменный ток, то магнитный поток, пронизывающий катушку, меняется. Поэтому в том же самом проводнике, по которому идет переменный ток, возникает ЭДС индукции. Это явление называют самоиндукцией.

При самоиндукции проводящий контур выполняет двойную роль: переменный ток в проводнике вызывает появление магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром. А так как магнитный поток изменяется со временем, то появляется ЭДС индукции hello_html_m475b4be1.jpg. По правилу Ленца в момент нарастания тока напряженность вихревого электрического поля направлена против тока. Следовательно, в этот момент вихревое поле препятствует нарастанию тока. Наоборот, в момент уменьшения тока вихревое поле поддерживает его.
Яhello_html_m3c430536.jpgвление самоиндукции можно наблюдать в простых опытах. На рисунке 2.13 показана схема параллельного соединения двух одинаковых ламп. Одну из них подключают к источнику через резистор R, а другую — последовательно с катушкой L, снабженной железным сердечником.

При замыкании ключа первая лампа вспыхивает практически сразу, а вторая — с заметным запозданием. ЭДС самоиндукции в цепи этой лампы велика, и сила тока не сразу достигает своего максимального значения (рис. 2.14).
Пhello_html_mef5773f.jpgоявление ЭДС самоиндукции при размыкании можно наблюдать в опыте с цепью, схематически показанной на рисунке 2.15. При размыкании ключа в катушке L возникает ЭДС самоиндукции, поддерживающая первоначальный ток. в результате в момент размыкания через гальванометр идет ток (цветная стрелка), направленный против начального тока до размыкания (черная стрелка). Сила тока при размыкании цепи может превышать силу тока, проходящего через гальванометр при замкнутом ключе. Это означает, что ЭДС самоиндукции hello_html_7c4f2ad1.jpg больше ЭДС hello_html_m4a3b44dc.jpg батареи элементов.   

Индуктивность. Модуль вектора индукции hello_html_1d6cdc92.jpg магнитного поля, создаваемого током, пропорционален силе тока. Так как магнитный поток Ф пропорционален В, то Ф~ В~ I. Можно, следовательно, утверждать, что Ф = LI,                                            (2.7)
где L — коэффициент пропорциональности между током в проводящем контуре и магнитным потоком. Величину L называют индуктивностью контура, или его коэффициентом самоиндукции.

Используя закон электромагнитной индукции и выражение (2.7), получаем равенство
 hello_html_m3d046788.jpg
 если считать, что форма контура остается неизменной и поток меняется только за счет изменения силы тока.

Из формулы (2.8) следует, что индуктивность — это физическая величина, численно равная ЭДС самоиндукции, возникающей в контуре при изменении силы тока в нем на 1 А за 1 с.

Индуктивность, подобно электроемкости, зависит от геометрических факторов: размеров проводника и его формы, но не зависит непосредственно от силы тока в проводнике. Кроме геометрии проводника, индуктивность зависит от магнитных свойств среды, в которой находится проводник.
Очевидно, что индуктивность одного проволочного витка меньше, чем у катушки (соленоида), состоящей из N таких же витков, так как магнитный поток катушки увеличивается в N раз.

Единицу индуктивности в СИ называют генри (обозначается Гн). Индуктивность проводника равна 1 Гн, если в нем при равномерном изменении силы тока на 1 А за 1 с возникает ЭДС самоиндукции 1 В:hello_html_5170eee1.jpg
Аналогия между самоиндукцией и инерцией. Явление самоиндукции подобно явлению инерции и механике. Так,
инерция приводит к тому, что под действием силы тело не мгновенно приобретает определенную скорость, а постепенно. Тело нельзя мгновенно затормозить, как 6ы велика ни была тормозящая сила. Точно так же за счет самоиндукции при замыкании цепи сила тока не сразу приобретает определенное значение, а нарастает постепенно. Выключая источник, мы не прекращаем ток сразу. Самоиндукция поддерживает его некоторое время, несмотря на сопротивление цепи.

Явление самоиндукции выполняет очень важную роль в: электротехнике и радиотехнике. Индуктивность цепи «оказывает существенное влияние на прохождение по цепи переменного электрического тока. Подробно об этом будет рассказано в главе 4.

При изменении силы тока в проводнике в нем возникает вихревое электрическое поле. Это поле тормозит электроны при возрастании силы тока и ускоряет при убывании.

Энергия магнитного поля тока Согласно закону сохранения энергии энергия магнитного поля, созданного током, равна той энергии, которую должен затратить источник тока (гальванический элемент, генератор на электростанции и др.) на создание тока. При размыкании цепи эта энергия переходит в другие виды энергии.

То, что для создания тока необходимо затратить энергию, т. е. необходимо совершить работу, объясняется тем, что при замыкании цепи, когда ток начинает нарастать, в проводнике появляется вихревое электрическое поле, действующее против того

электрического поля, которое создается в проводнике благодаря источнику тока. Для того чтобы сила тока стала равной /, источник тока должен совершить работу против сил вихревого поля. Эта работа идет на увеличение энергии магнитного поля тока.

При размыкании цепи ток исчезает, и вихревое поле совершает положительную работу. Запасенная током энергия выделяется. Это обнаруживается, например, по мощной искре, возникающей при размыкании цепи с большой индуктивностью.

Энергия магнитного поля, созданного током, проходящим по участку цепи с индуктивностью L, определяется по формуле
 hello_html_575b2be2.jpg  
Энергия магнитного поля выражена здесь через характеристику проводника L и силу тока в нем /. Но эту, же энергию можно выразить и через характеристики поля. Вычисления показывают, что плотность энергии магнитного поля (т. е. энергия единицы объема) пропорциональна квадрату магнитной индукции: hello_html_4d4053fa.jpg, подобно тому как плотность энергии электрического поля пропорциональна квадрату напряженности электрического поля hello_html_md4abe36.png.
Магнитное поле, созданное электрическим током, обладает энергией, прямо пропорциональной квадрату силы тока.

Электромагнитное поле. Изучая свойства электромагнитного поля, Максвелл задался вопросом: если переменное магнитное поле порождает электрическое поле, то не существует ли в природе обратного процесса? Не порождает ли переменное электрическое поле, в свою очередь, магнитное? Это соображение, диктуемое уверенностью в единстве природы, во внутренней стройности и гармонии ее законов, составляет основу гипотезы Максвелла.

Возникновение магнитного поля при изменении электрического поля. Максвелл допустил, что такого рода процесс реально происходит в природе. Во всех случаях, когда электрическое поле изменяется со временем, оно порождает магнитное поле. Линии магнитной индукции этого поля охватывают линии напряженности электрического поля (рис. 2.16), подобно тому, как линии напряженности электрического поля охватывают линии индукции переменного магнитного поля.
Нhello_html_m3dcefcb4.jpgо теперь при возрастании напряженности электрического поля направление вектора индукции hello_html_1d6cdc92.jpgвозникающего магнитного поля образует правый, винт с направлением вектора hello_html_690be169.jpg.

При убывании напряженности электрического поля направление вектора магнитной индукции hello_html_m6327b110.png образует с направлением вектора hello_html_690be169.jpgлевый винт. Согласно гипотезе Максвелла магнитное поле, например, при зарядке конденсатора после замыкания ключа создается не только током в проводнике, но и изменяющимся электрическим полем, существующим в пространстве между обкладками конденсатора (рис. 2.17). Причем изменяющееся электрическое поле создает такое же магнитное поле, как если бы между обкладками существовал электрический ток, такой же, как в проводнике. Справедливость гипотезы Максвелла была доказана экспериментальным обнаружением электромагнитных волн. Электромагнитные волны существуют потому, что переменное магнитное поле порождает переменное электрическое поле, которое, в свою очередь, порождает переменное магнитное поле и т. д.

Электромагнитное поле. После открытия взаимосвязи между изменяющимися электрическим и магнитным полями стало ясно, что эти поля не существуют обособленно, независимо одно от другого. Нельзя создать переменное магнитное поле без того, чтобы одновременно в пространстве не возникло и электрическое поле. И наоборот, переменное электрическое поле не может существовать без магнитного.

Не менее важно и то, что электрическое поле без магнитного или магнитное без электрического могут существовать лишь по отношению к определенной системе отсчета. Так, покоящийся заряд создает только электрическое поле (рис. 2.18). Но ведь заряд покоится лишь относительно определенной системы отсчета. Относительно других систем отсчета он может двигаться и, следовательно, создавать и магнитное поле (рис. 2.19).

Точно так же в системе отсчета, связанной с магнитом, обнаруживается лишь магнитное поле. Но движущийся относительно магнита наблюдатель обнаружит и электрическое поле. Ведь в системе отсчета, движущейся относительно магнита, магнитное поле будет меняться с течением времени по мере приближения наблюдателя к магниту или удаления от него. Переменное же во времени магнитное поле порождает вихревое электрическое поле.

Значит, утверждение, что в данной точке пространства существует только электрическое или только магнитное поле, бессмысленно, если не указать, по отношению к какой системе отсчета эти поля рассматриваются. Отсутствие электрического поля в системе отсчета, содержащей покоящийся магнит, совсем не означает, что электрического поля нет вообще. По отношению к любой движущейся относительно магнита системе отсчета это поле может быть обнаружено.

Электрические и магнитные поля — проявление единого целого — электромагнитного поля. Электромагнитное поле — особая форма материи, осуществляющая электромагнитное взаимодействие. В зависимости от того, в какой системе отсчета рассматриваются электромагнитные процессы, проявляются те или иные стороны единого целого — электромагнитного поля. Все инерциальные системы отсчета  равноправны.
Пhello_html_m1048d353.jpgоэтому ни одному из обнаруживаемых проявлений электромагнитного поля не может быть отдано предпочтение.

Согласно гипотезе Максвелла переменное электрическое поле порождает магнитное поле. Электромагнитное поле - единое целое: в зависимости от системы отсчета проявляются те или иные свойства поля.





















Приложение №2

  1. В чем главное отличие переменных электрических и магнитных полей от постоянных

  2. В чем заключается явление электромагнитной индукции

  3. Как должен двигаться замкнутый проводящий контур в однородном магнитном попе, не зависящем от времени: поступательно или вращательно, чтобы в нем возник индукционный ток

  4. Как определяется направление индукционного тока

  5. Что называется магнитным потоком (потоком магнитной индукции)

  6. Почему закон электромагнитной индукции формулируется для ЭДС, а не для силы тока

  7. Как формулируется закон электромагнитной индукции

  8. Почему в формуле для закона электромагнитной индукции стоит знак «-»

  9. Возникнет ли в кольце с разрезом электрическое поле, если подносить к нему магнит

  10. Какова природа сторонних сил, вызывающих появление индукционного тока в неподвижном проводнике

  11. В чем отличие вихревого электрического поля от электростатического или стационарного

  12. Что такое токи Фуко

  13. В чем преимущества ферритов по сравнению с обычными ферромагнетиками

  14. Чему равна сила Лоренца и как она направлена

  15. От чего зависит ЭДС индукции, возникающая в проводнике, который движется в переменном во времени магнитном поле

  16. Можно ли использовать в качестве чувствительного элемента микрофона одну из обкладок конденсатора, колеблющуюся под действием звуковой волны

  17. Что называют самоиндукцией

  18. Как направлены по отношению к току линии напряженности вихревого электрического поля в проводнике при увеличении и уменьшении силы тока

  19. Что называют индуктивностью проводника

  20. Что принимают за единицу индуктивности в СИ

  21. Чему равна ЭДС самоиндукции

  22. Почему для создания тока источник должен затратить энергию

  23. Чему равна энергия магнитного поля

  24. В результате, каких процессов возникает магнитное поле

  25. Почему утверждение о том, что в данной точке пространства существует только электрическое поле или только магнитное поле, не является точным





Методическая разработка по физике для теоретического занятия по теме: «Электромагнитная индукция».
  • Физика
Описание:

Данная методическая разработка предназначена для проведения теоретического занятия у студентов первого курса медицинского техникума, специальности Сестринское дело по теме: «Электромагнитная индукция». Методическое пособие разработано для преподавателя с целью выявления и систематизации знаний студентов по данной теме. Основными задачами является закрепление и углубление теоретических знаний у студентов  по данной теме.

 

Методическое пособие составлено в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта Она содержит в себе материал, способствующий формированию сознательного отношения к процессу обучения, стремлению к самостоятельной работе и всестороннему овладению знаниями. Развитию интереса к учебному предмету, содействию активизации мышления обучающихся. Развитию познавательной деятельности обучающихся, по овладению программного учебного материала, по дисциплине  «Физика».

Автор Тюменцева Оксана Николаевна
Дата добавления 15.12.2014
Раздел Физика
Подраздел Другое
Просмотров 1116
Номер материала 7177
Скачать свидетельство о публикации

Оставьте свой комментарий:

Введите символы, которые изображены на картинке:

Получить новый код
* Обязательные для заполнения.


Комментарии:

↓ Показать еще коментарии ↓