Классный час «Мы – крымчане!» – классному руководителю, мероприятия. Просмотр содержимого презентации «Народы Крыма»
На данном уроке мы узнаем, как и кем было открыто явление самоиндукции, рассмотрим опыт, с помощью которого продемонстрируем это явление, определим, что самоиндукция - это частный случай электромагнитной индукции. В конце урока введем физическую величину, показывающую зависимость ЭДС самоиндукции от размеров и формы проводника и от среды, в которой находится проводник, т. е. индуктивность.
Генри изобретал плоские катушки из полосовой меди, с помощью которых добивался силовых эффектов, выраженных более ярко, чем при использовании проволочных соленоидов. Ученый заметил, что при нахождении в цепи мощной катушки ток в этой цепи достигает своего максимального значения гораздо медленнее, чем без катушки.
Рис. 2. Схема экспериментальной установки Д. Генри
На рис. 2 изображена электрическая схема экспериментальной установки, на основе которой можно продемонстрировать явление самоиндукции. Электрическая цепь состоит из двух параллельно соединенных лампочек, подключенных через ключ к источнику постоянного тока. Последовательно с одной из лампочек подключена катушка. После замыкания цепи видно, что лампочка, которая соединена последовательно с катушкой, загорается медленнее, чем вторая лампочка (рис. 3).
Рис. 3. Различный накал лампочек в момент включения цепи
При отключении источника лампочка, подключенная последовательно с катушкой, гаснет медленнее, чем вторая лампочка.
Почему лампочки гаснут не одновременно
При замыкании ключа (рис. 4) из-за возникновения ЭДС самоиндукции ток в лампочке с катушкой нарастает медленнее, поэтому эта лампочка загорается медленнее.
Рис. 4. Замыкание ключа
При размыкании ключа (рис. 5) возникающая ЭДС самоиндукции мешает убыванию тока. Поэтому ток еще некоторое время продолжает течь. Для существования тока нужен замкнутый контур. Такой контур в цепи есть, он содержит обе лампочки. Поэтому при размыкании цепи лампочки должны некоторое время светиться одинаково, и наблюдаемое запаздывание может быть вызвано другими причинами.
Рис. 5. Размыкание ключа
Рассмотрим процессы, происходящие в данной цепи при замыкании и размыкании ключа.
1. Замыкание ключа.
В цепи находится токопроводящий виток. Пусть ток в этом витке течет против часовой стрелки. Тогда магнитное поле будет направлено вверх (рис. 6).
Таким образом, виток оказывается в пространстве собственного магнитного поля. При возрастании тока виток окажется в пространстве изменяющегося магнитного поля собственного тока. Если ток возрастает, то созданный этим током магнитный поток также возрастает. Как известно, при возрастании магнитного потока, пронизывающего плоскость контура, в этом контуре возникает электродвижущая сила индукции и, как следствие, индукционный ток. По правилу Ленца, этот ток будет направлен таким образом, чтобы своим магнитным полем препятствовать изменению магнитного потока, пронизывающего плоскость контура.
То есть для рассматриваемого на рис. 6 витка индукционный ток должен быть направлен по часовой стрелке (рис. 7), тем самым препятствуя нарастанию собственного тока витка. Следовательно, при замыкании ключа ток в цепи возрастает не мгновенно благодаря тому, что в этой цепи возникает тормозящий индукционный ток, направленный в противоположную сторону.
2. Размыкание ключа
При размыкании ключа ток в цепи уменьшается, что приводит к уменьшению магнитного потока сквозь плоскость витка. Уменьшение магнитного потока приводит к появлению ЭДС индукции и индукционного тока. В этом случае индукционный ток направлен в ту же сторону, что и собственный ток витка. Это приводит к замедлению убывания собственного тока.
Вывод: при изменении тока в проводнике возникает электромагнитная индукция в этом же проводнике, что порождает индукционный ток, направленный таким образом, чтобы препятствовать любому изменению собственного тока в проводнике (рис. 8). В этом заключается суть явления самоиндукции. Самоиндукция - это частный случай электромагнитной индукции.
Рис. 8. Момент включения и выключения цепи
Формула для нахождения магнитной индукции прямого проводника с током:
где - магнитная индукция; - магнитная постоянная; - сила тока; - расстояние от проводника до точки.
Поток магнитной индукции через площадку равен:
где - площадь поверхности, которая пронизывается магнитным потоком.
Таким образом, поток магнитной индукции пропорционален величине тока в проводнике.
Для катушки, в которой - число витков, а - длина, индукция магнитного поля определяется следующим соотношением:
Магнитный поток, созданный катушкой с числом витков N , равен:
Подставив в данное выражение формулу индукции магнитного поля, получаем:
Отношение числа витков к длине катушки обозначим числом :
Получаем окончательное выражение для магнитного потока:
Из полученного соотношения видно, что значение потока зависит от величины тока и от геометрии катушки (радиус, длина, число витков). Величина, равная , называется индуктивностью:
Единицей измерения индуктивности является генри:
Следовательно, поток магнитной индукции, вызванный током в катушке, равен:
С учетом формулы для ЭДС индукции , получаем, что ЭДС самоиндукции равна произведению скорости изменения тока на индуктивность, взятому со знаком «-»:
Самоиндукция - это явление возникновения электромагнитной индукции в проводнике при изменении силы тока, протекающего сквозь этот проводник.
Электродвижущая сила самоиндукции прямо пропорциональна скорости изменения тока, протекающего сквозь проводник, взятой со знаком минус. Коэффициент пропорциональности называется индуктивностью , которая зависит от геометрических параметров проводника.
Проводник имеет индуктивность, равную 1 Гн, если при скорости изменения тока в проводнике, равной 1 А в секунду, в этом проводнике возникает электродвижущая сила самоиндукции, равная 1 В.
С явлением самоиндукции человек сталкивается ежедневно. Каждый раз, включая или выключая свет, мы тем самым замыкаем или размыкаем цепь, при этом возбуждая индукционные токи. Иногда эти токи могут достигать таких больших величин, что внутри выключателя проскакивает искра, которую мы можем увидеть.
Список литературы
- Мякишев Г.Я. Физика: Учеб. для 11 кл. общеобразоват. учреждений. - М.: Просвещение, 2010.
- Касьянов В.А. Физика. 11 кл.: Учеб. для общеобразоват. учреждений. - М.: Дрофа, 2005.
- Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И., Физика 11. - М.: Мнемозина.
- Интернет-портал Myshared.ru ().
- Интернет-портал Physics.ru ().
- Интернет-портал Festival.1september.ru ().
- Вопросы в конце параграфа 15 (стр. 45) - Мякишев Г.Я. Физика 11 (см. список рекомендованной литературы)
- Индуктивность какого проводника равна 1 Генри?
«Физика - 11 класс»
Самоиндукция.
Если по катушке идет переменный ток, то:
магнитный поток, пронизывающий катушку, меняется во времени,
а в катушке возникает ЭДС индукции .
Это явление называют самоиндукцией
.
По правилу Ленца при увеличении тока напряженность вихревого электрического поля направлена против тока, т.е. вихревое поле препятствует нарастанию тока.
При уменьшения тока напряженность вихревого электрического поля и ток направлены одинаково, т.е.вихревое поле поддерживает ток.
Явление самоиндукции подобно явлению инерции в механике.
В механике:
Инерция приводит к тому, что под действием силы тело приобретает определенную скорость постепенно.
Тело нельзя мгновенно затормозить, как бы велика ни была тормозящая сила.
В электродинамике:
При замыкании цепи за счет самоиндукции сила тока нарастает постепенно.
При размыкании цепи самоиндукция поддерживает ток некоторое время, несмотря на сопротивление цепи.
Явление самоиндукции выполняет очень важную роль в электротехнике и радиотехнике.
Энергия магнитного поля тока
По закону сохранения энергии энергия магнитного поля
, созданного током, равна той энергии, которую должен затратить источник тока (например, гальванический элемент) на создание тока.
При размыкании цепи эта энергия переходит в другие виды энергии.
При замыкании
цепи ток нарастает.
В проводнике появляется вихревое электрическое поле, действующее против электрического поля, созданного источником тока.
Чтобы сила тока стала равной I, источник тока должен совершить работу против сил вихревого поля.
Эта работа идет на увеличение энергии магнитного поля тока.
При размыкании
цепи ток исчезает.
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
Магнитное поле, созданное электрическим током, обладает энергией, прямо пропорциональной квадрату силы тока.
Плотность энергии магнитного поля (т. е. энергия единицы объема) пропорциональна квадрату магнитной индукции: w м ~ В 2 ,
аналогично тому как плотность энергии электрического поля пропорциональна квадрату напряженности электрического поля w э ~ Е 2 .
Цель урока : сформировать представление о том, что изменение силы тока в проводнике создает вихревое воле, которое может или ускорять или тормозить движущиеся электроны.
Ход урока
Проверка домашнего задания методом индивидуального опроса
1. Получить формулу для вычисления электродвижущей силы индукции для проводника, движущегося в магнитном поле.
2. Вывести формулу для вычисления электродвижущей силы индукции, используя закон электромагнитной индукции.
3. Где применяется и как устроен электродинамический микрофон?
4. Задача. Сопротивление проволочного витка равно 0,03 Ом. Магнитный поток уменьшается внутри витка на 12 мВб. Какой электрический заряд проходит через поперечное сечение витка?
Решение. ξi=ΔФ/Δ t; ξi= Iiʹ·R; Ii =Δq/Δt; ΔФ/Δt = Δq R/Δt; Δq = ΔФΔt/ RΔt; Δq= ΔФ/R;
Δq=400 мКл
Изучение нового материала
1. Самоиндукция.
Если по проводнику идет переменный ток, то он создает ЭДС индукции в этом же проводнике – это явление самоиндукции. Проводящий контур играет двоякую роль: по нему идет ток, в нем же создается ЭДС индукции этим током.
На основании правила Ленца; когда ток увеличивается, напряженность вихревого электрического поля, направлена против тока, т.е. препятствует его увеличению.
Во время уменьшения тока вихревое поле его поддерживает.
Рассмотрим схему на которой видно, что сила тока достигает определенного
значения постепенно, через какое – то время.
L Л2 R A
Демонстрация опытов со схемами. С помощью первой цепи покажем, как появляется ЭДС индукции при замыкании цепи.
При замыкании ключа первая лампа загорается мгновенно, вторая с опозданием, из-за большой самоиндукции в цепи, которую создает катушка с сердечником.
С помощью второй цепи продемонстрируем появление ЭДС индукции при размыкании цепи.
В момент размыкания через амперметр, пойдет ток направленный,против начального тока.
При размыкании сила тока может превысить первоначальное значение тока. Значит, ЭДС самоиндукции может быть больше ЭДС источника тока.
Провести аналогию между инерцией и самоиндукцией
Индуктивность.
Магнитный поток пропорционален величине магнитной индукции и силе тока. Ф~B~I.
Ф= L I; где L- коэффициент пропорциональности между током и магнитным потоком.
Данный коэффициент называют чаще индуктивностью контура или коэффициентом самоиндукции.
Используя величину индуктивности, закон электромагнитной индукции можно записать так:
ξis= - ΔФ/Δt = - L ΔI/Δt
Индуктивность - это физическая величина, численно равная ЭДС самоиндукции, возникающий в контуре при изменении силы тока на 1 А за 1 с.
Измеряют индуктивность в генри (Гн) 1 Гн = 1 В с/А
О значении самоиндукции в электротехнике и радиотехнике.
Вывод: когда по проводнику идет изменяющийся ток появляется вихревое электрическое поле.
Вихревое поле тормозит свободные электроны при увеличении тока и поддерживает его при уменьшении.
Закрепление изученного материала.
- Как объяснить явление самоиндукции?
- Провести аналогию между инерцией и самоиндукцией.
- Что такое индуктивность контура, в каких единицах измеряется индуктивность?
- Задача. При силе тока в 5 А в контуре возникает магнитный поток 0,5 мВб. Чему будет равна индуктивность контура?
Решение. ΔФ/Δt = - L ΔI/Δt; L = ΔФ/ΔI; L =1 ·10-4Гн
Подведем итоги урока
Домашнее задание: §15, повт. §13, упр. 2 № 10
