Povzetek zakona elektromagnetne indukcije. Učni načrt fizike. Smer indukcijskega toka. Lenzovo pravilo. Elektromagnetna indukcija v sodobni tehnologiji

Pojav elektromagnetne indukcije je odkril izjemni angleški fizik M. Faraday leta 1831. Sestoji iz pojava električnega toka v zaprtem prevodnem krogu, ko se spreminja skozi čas. magnetni tok prebadanje konture.
Magnetni pretok Φ skozi območje S vezja je količina

Φ = B S cos α,

Kjer je B velikost vektorja magnetne indukcije, je α kot med vektorjem in normalo na konturno ravnino (slika 4.20.1).

Slika 4.20.1.
Magnetni tok skozi zaprto zanko. Normalna smer in izbrana pozitivna smer prečkanja konture sta povezani z desnim pravilom gimleta.
Opredelitev magnetnega pretoka lahko enostavno posplošimo na primer nehomogenega magnetno polje in neravna kontura. Enota SI za magnetni pretok se imenuje weber (Wb). Magnetni tok, enak 1 Wb, nastane z magnetnim poljem z indukcijo 1 T, ki v normalni smeri prodira v ravno konturo s površino 1 m2:

1 Wb = 1 T · 1 m2.

Faraday je eksperimentalno ugotovil, da ko se spremeni magnetni tok v prevodnem vezju, nastane inducirana emf Eind, enako hitrosti spremembe magnetnega pretoka skozi površino, omejeno s konturo z znakom minus:

Izkušnje kažejo, da je inducirani tok, ki se vzbuja v zaprti zanki ob spremembi magnetnega pretoka, vedno usmerjen tako, da magnetno polje, ki ga ustvari, prepreči spremembo magnetnega pretoka, ki povzroča inducirani tok. Ta izjava se imenuje Lenzovo pravilo (1833).
riž. 4.20.2 ponazarja Lenzovo pravilo na primeru stacionarnega prevodnega vezja, ki je v enakomernem magnetnem polju, katerega indukcijski modul s časom narašča.

Slika 4.20.2.
Ilustracija Lenzovega pravila. V tem primeru je ind< 0. Индукционный ток Iинд течет навстречу выбранному положительному направлению обхода контура.
Lenzovo pravilo odraža eksperimentalno dejstvo, da imata vedno nasprotna predznaka (znak minus v Faradayevi formuli). Lenzovo pravilo je globoko fizični pomen– izraža zakon o ohranitvi energije.
Sprememba magnetnega toka, ki prodira skozi zaprto vezje, se lahko pojavi iz dveh razlogov.
1. Magnetni pretok se spreminja zaradi gibanja vezja ali njegovih delov v časovno konstantnem magnetnem polju. To se zgodi, ko se prevodniki in z njimi prosti nosilci naboja gibljejo v magnetnem polju. Pojav inducirane emf je razložen z delovanjem Lorentzove sile na proste naboje v gibajočih se vodnikih. Lorentzova sila ima v tem primeru vlogo zunanje sile.
Vzemimo za primer pojav inducirane emf v pravokotnem vezju, postavljenem v enakomerno magnetno polje pravokotno na ravnino kontura. Naj ena od stranic konture dolžine l drsi s hitrostjo vzdolž drugih dveh stranic (slika 4.20.3).

Slika 4.20.3.
Pojav inducirane emf v gibljivem prevodniku. Navedena je komponenta Lorentzove sile, ki deluje na prosti elektron.
Lorentzova sila deluje na proste naboje v tem delu vezja. Ena od komponent te sile, povezana s hitrostjo prenosa nabojev, je usmerjena vzdolž prevodnika. Ta komponenta je prikazana na sl. 4.20.3. Ona igra vlogo zunanje sile. Njegov modul je enak

Delo, ki ga opravi sila FL na poti l, je enako

A = FL · l = eυBl.

Po definiciji EMF

V drugih nepremičnih delih vezja je zunanja sila enaka nič. Razmerju za ind je mogoče dati običajno obliko. V času Δt se konturna površina spremeni za ΔS = lυΔt. Sprememba magnetnega pretoka v tem času je enaka ΔΦ = BlυΔt. torej

Za določitev predznaka v formuli, ki povezuje ind in je potrebno izbrati smer normale in pozitivno smer prečkanja konture, ki sta skladni med seboj po pravilu desnega gimleta, kot je to storjeno na sl. . 4.20.1 in 4.20.2. Če se to naredi, je enostavno priti do Faradayeve formule.
Če je upor celotnega tokokroga enak R, bo skozi njega stekel indukcijski tok, ki je enak Iind = ind/R. V času Δt se bo Joulova toplota sprostila pri uporu R (glej § 4.11)

Postavlja se vprašanje, od kod ta energija, saj Lorentzova sila ne deluje! Ta paradoks je nastal, ker smo upoštevali delo samo ene komponente Lorentzove sile. Ko indukcijski tok teče skozi vodnik, ki se nahaja v magnetnem polju, druga komponenta Lorentzove sile, povezana z relativno hitrostjo gibanja nabojev vzdolž prevodnika, deluje na proste naboje. Ta komponenta je odgovorna za pojav Amperove sile. Za primer, prikazan na sl. 4.20.3 je modul amperske sile FA = IBl. Amperova sila je usmerjena proti gibanju vodnika; zato zagreši negativno mehansko delo. V času Δt je to delo Amech enako

Prevodnik, ki se giblje v magnetnem polju, skozi katerega teče inducirani tok, doživi magnetno zaviranje. Polno delo Lorentzova sila je nič. Joulova toplota v tokokrogu se sprosti bodisi zaradi dela zunanje sile, ki ohranja hitrost prevodnika nespremenjeno, bodisi zaradi zmanjšanja kinetične energije prevodnika.
2. Drugi razlog za spremembo magnetnega toka, ki prodira v vezje, je časovna sprememba magnetnega polja s stacionarnim vezjem. V tem primeru pojava inducirane emf ni več mogoče pojasniti z delovanjem Lorentzove sile. Elektrone v mirujočem prevodniku lahko poganja samo električno polje. To električno polje ustvarja časovno spremenljivo magnetno polje. Delo, ki ga opravi to polje pri premikanju enega pozitivnega naboja vzdolž sklenjenega kroga, je enako inducirani emf v mirujočem prevodniku. Zato električno polje, ki ga ustvarja spreminjajoče se magnetno polje, ni potencialno. Imenuje se vrtinčno električno polje. Koncept vrtinčnega električnega polja je v fiziko uvedel veliki angleški fizik J. Maxwell (1861).
Pojav elektromagnetne indukcije v mirujočih vodnikih, ki nastane ob spremembi okoliškega magnetnega polja, opisuje tudi Faradayeva formula. Tako pojavi indukcija v gibljivih in mirujočih vodnikih poteka na enak način, vendar se fizični vzrok za pojav induciranega toka v teh dveh primerih izkaže za drugačen: v primeru gibljivih vodnikov je indukcijska emf posledica na Lorentzovo silo; pri mirujočih vodnikih je inducirana emf posledica delovanja vrtinca na proste naboje električno polje, ki nastane ob spremembi magnetnega polja.

Elektromagnetna indukcija- to je pojav, ki je sestavljen iz pojava električnega toka v zaprtem prevodniku kot posledica spremembe magnetnega polja, v katerem se nahaja. Ta pojav je leta 1831 odkril angleški fizik M. Faraday. Njegovo bistvo je mogoče razložiti z več preprostimi poskusi.

Opisano v Faradayevih poskusih princip prejemanja AC uporabljajo v indukcijskih generatorjih, ki proizvajajo električna energija v termo ali hidroelektrarnah. Odpor proti vrtenju rotorja generatorja, ki nastane pri interakciji indukcijskega toka z magnetnim poljem, se premaga z delovanjem parne ali hidravlične turbine, ki vrti rotor. Takšni generatorji transformirati mehanska energija v energijo električnega toka .

Vrtinčni tokovi ali Foucaultovi tokovi

Če masivni prevodnik postavimo v izmenično magnetno polje, potem v tem prevodniku zaradi pojava elektromagnetne indukcije nastanejo vrtinčni inducirani tokovi, imenovani Foucaultovi tokovi.

Vrtinčni tokovi nastanejo tudi pri gibanju masivnega prevodnika v stalnem, a prostorsko nehomogenem magnetnem polju. Foucaultovi tokovi imajo tako smer, da sila, ki deluje nanje v magnetnem polju, zavira gibanje prevodnika. Nihalo v obliki trdne kovinske plošče iz nemagnetnega materiala, ki niha med poloma elektromagneta, se ob vklopu magnetnega polja nenadoma ustavi.

V mnogih primerih se izkaže, da je segrevanje, ki ga povzročajo Foucaultovi tokovi, škodljivo in ga je treba obravnavati. Jedra transformatorjev in rotorji elektromotorjev so izdelani iz ločenih železnih plošč, ločenih s plastmi izolatorja, ki preprečujejo razvoj velikih indukcijskih tokov, same plošče pa so izdelane iz zlitin z visoko upornostjo.

Elektromagnetno polje

Električno polje, ki ga ustvarjajo mirujoči naboji, je statično in deluje na naboje. Enosmerni tok povzroča pojav časovno konstantnega magnetnega polja, ki deluje na gibljive naboje in tokove. Električno in magnetno polje v tem primeru obstajata neodvisno drug od drugega.

Fenomen elektromagnetna indukcija prikazuje interakcijo teh polj, opaženo v snoveh, ki imajo proste naboje, to je v prevodnikih. Izmenično magnetno polje ustvarja izmenično električno polje, ki z delovanjem na proste naboje ustvarja električni tok. Ta tok, ki je izmeničen, ustvarja izmenično magnetno polje, ki ustvarja električno polje v istem prevodniku itd.

Niz izmeničnih električnih in izmeničnih magnetnih polj, ki se medsebojno ustvarjajo, imenujemo elektromagnetno polje . Lahko obstaja v mediju, kjer ni prostih nabojev, in se širi v prostoru v obliki elektromagnetno valovanje.

Klasična elektrodinamika- eden od najvišji dosežkičloveški um. Imela je velik vpliv na kasnejši razvoj človeška civilizacija, ki napoveduje obstoj elektromagnetnega valovanja. To je kasneje privedlo do nastanka radia, televizije, telekomunikacijskih sistemov, satelitske navigacije, pa tudi računalnikov, industrijskih in gospodinjskih robotov ter drugih atributov sodobnega življenja.

temeljni kamen Maxwellove teorije Ugotovljeno je bilo, da je lahko vir magnetnega polja samo izmenično električno polje, tako kot je vir električnega polja, ki ustvarja indukcijski tok v prevodniku, izmenično magnetno polje. Prisotnost prevodnika ni potrebna - električno polje se pojavi tudi v praznem prostoru. Silnice izmeničnega električnega polja so, podobno kot silnice magnetnega polja, sklenjene. Električno in magnetno polje elektromagnetnega valovanja sta enaki.

Elektromagnetna indukcija v diagramih in tabelah

Leta 1831 je angleški fizik M. Faraday v svojih poskusih odkril pojav elektromagnetna indukcija. Potem je ruski znanstvenik E.Kh preučeval ta pojav. Lenz in B. S. Jacobi.

Trenutno veliko naprav temelji na pojavu elektromagnetne indukcije, na primer v motorju ali generatorju električnega toka, v transformatorjih, radijskih sprejemnikih in številnih drugih napravah.

Elektromagnetna indukcija- to je pojav pojava toka v zaprtem prevodniku, ko skozi njega teče magnetni tok. Se pravi, zahvaljujoč temu pojavu lahko mehansko energijo pretvorimo v električno energijo - in to je čudovito. Navsezadnje ljudje pred odkritjem tega pojava niso poznali načinov proizvodnje električnega toka, razen galvanizacije.

Ko je prevodnik izpostavljen magnetnemu polju, v njem nastane emf, ki ga lahko kvantitativno izrazimo z zakonom elektromagnetne indukcije.

Zakon elektromagnetne indukcije

Elektromotorna sila, inducirana v prevodnem tokokrogu, je enaka hitrosti spremembe sklopa magnetnega pretoka s tem tokokrogom.

V tuljavi, ki ima več zavojev, je skupna emf odvisna od števila zavojev n:

Toda v splošnem primeru se uporablja formula EMF s splošno povezavo toka:

EMF, vzbujen v vezju, ustvarja tok. večina preprost primer Videz toka v prevodniku je tuljava, skozi katero poteka trajni magnet. Smer induciranega toka lahko določite z Lenzova pravila.

Lenzovo pravilo

Tok, ki nastane, ko se spremeni magnetno polje, ki poteka skozi vezje, njegovo magnetno polje prepreči to spremembo.

V primeru, da v tuljavo vnesemo magnet, se magnetni pretok v tokokrogu poveča, kar pomeni, da je magnetno polje, ki ga ustvarja inducirani tok, po Lenzovem pravilu usmerjeno proti povečanju polja magneta. Če želite določiti smer toka, morate pogledati magnet s strani severni pol. Iz tega položaja privijemo gleto v smeri magnetnega polja toka, torej proti severnemu polu. Tok se bo premikal v smeri vrtenja gimleta, to je v smeri urinega kazalca.

V primeru, ko odstranimo magnet iz tuljave, se magnetni pretok v vezju zmanjša, kar pomeni, da je magnetno polje, ki ga ustvarja inducirani tok, usmerjeno proti zmanjšanju polja magneta. Če želite določiti smer toka, morate odviti gimlet; smer vrtenja gimleta bo pokazala smer toka v prevodniku - v nasprotni smeri urinega kazalca.

V tej lekciji, katere tema je: »Lenzovo pravilo. Zakon elektromagnetne indukcije«, izvemo splošno pravilo, ki vam omogoča določitev smeri indukcijskega toka v vezju, ki ga je leta 1833 ustanovil E.X. Lenz. Upoštevali bomo tudi poskus z aluminijastimi obroči, ki jasno prikazuje to pravilo, in oblikovali zakon elektromagnetne indukcije

S približevanjem ali oddaljevanjem magneta od trdnega obroča spremenimo magnetni tok, ki prežema območje obroča. Po teoriji pojava elektromagnetne indukcije bi moral v obroču nastati induktivni električni tok. Iz Amperejevih poskusov je znano, da tam, kjer teče tok, nastane magnetno polje. Posledično se zaprti obroč začne obnašati kot magnet. To pomeni, da obstaja interakcija med dvema magnetoma (trajni magnet, ki ga premikamo, in zaprt tokokrog s tokom).

Ker sistem ni reagiral na približevanje magneta obroču z rezom, lahko sklepamo, da inducirani tok v odprtem krogu ne nastane.

Razlogi za odboj ali privlačnost prstana do magneta

1. Ko se magnet približa

Ko se pol magneta približa, se obroč od njega odbija. To pomeni, da se obnaša kot magnet, ki ima na naši strani enak pol kot bližajoči se magnet. Če približamo severni pol magneta, potem je vektor magnetne indukcije obroča z induciranim tokom usmerjen v nasprotni smeri glede na vektor magnetne indukcije severnega pola magneta (glej sliko 2).

riž. 2. Približevanje magneta obroču

2. Pri odstranjevanju magneta iz obroča

Ko magnet odstranimo, obroč potegnemo za njim. Posledično se na strani odmikajočega se magneta na obroču oblikuje nasprotni pol. Vektor magnetne indukcije obroča s tokom je usmerjen v isto smer kot vektor magnetne indukcije oddaljevajočega se magneta (glej sliko 3).

riž. 3. Odstranitev magneta iz obroča

Iz tega poskusa lahko sklepamo, da se ob premikanju magneta tudi obroč obnaša kot magnet, katerega polarnost je odvisna od tega, ali se magnetni tok, ki prodira v območje obroča, poveča ali zmanjša. Če se tok poveča, sta vektorja magnetne indukcije obroča in magneta nasprotni smeri. Če se magnetni tok skozi obroč s časom zmanjšuje, potem vektor indukcije magnetnega polja obroča sovpada v smeri z vektorjem indukcije magneta.

Smer indukcijskega toka v obroču lahko določimo s pravilom desna roka. Če palec desne roke usmerite v smeri vektorja magnetne indukcije, bodo štirje upognjeni prsti kazali smer toka v obroču (glej sliko 4).

riž. 4. Pravilo desne roke

Ko se spremeni magnetni tok, ki prodira v tokokrog, se v tokokrogu pojavi inducirani tok v takšni smeri, da njegov magnetni tok kompenzira spremembo zunanjega magnetnega pretoka.

Če se zunanji magnetni pretok poveča, potem inducirani tok s svojim magnetnim poljem teži k upočasnitvi tega povečanja. Če se magnetni pretok zmanjša, potem inducirani tok s svojim magnetnim poljem teži k upočasnitvi tega zmanjšanja.

Ta značilnost elektromagnetne indukcije je izražena z znakom minus v formuli inducirane emf.

Zakon elektromagnetne indukcije

Ko se zunanji magnetni tok, ki prodira v tokokrog, spremeni, se v tokokrogu pojavi induciran tok. V tem primeru vrednost elektromotorna silaštevilčno enaka hitrosti spremembe magnetnega pretoka, vzetega z znakom "-".

Lenzovo pravilo je posledica zakona o ohranitvi energije v elektromagnetnih pojavih.

Reference

1. Myakishev G.Ya. Fizika: Učbenik. za 11. razred splošno izobraževanje institucije. - M.: Izobraževanje, 2010.
2. Kasjanov V.A. Fizika. 11. razred: Poučna. za splošno izobraževanje institucije. - M .: Bustard, 2005.
3. Gendenstein L.E., Dick Yu.I., Fizika 11. - M.: Mnemosyne.

domača naloga

1. Vprašanja na koncu odstavka 10 (str. 33) - Myakishev G.Ya. Fizika 11 (glej seznam priporočene literature)
2. Kako je formuliran zakon elektromagnetne indukcije?
3. Zakaj je v formuli za zakon elektromagnetne indukcije znak »-«?

1. Internetni portal Festival.1september.ru ().
2. Internetni portal Physics.kgsu.ru ().
3. Internetni portal Youtube.com ().

Cilji lekcije:

Izobraževalni:

preučevanje zakona elektromagnetne indukcije.

Razvojni:

1) oblikovanje informacijskih kompetenc;

2) razvoj sposobnosti za samostojno delo z učbenikom;

3) izboljšanje intelektualnih sposobnosti in miselnih sposobnosti učencev.

Izobraževalni:

oblikovanje komunikacijskih lastnosti posameznikov.

Oprema:

1. Kartice z vprašanji za vsako skupino.
2. Testne naloge za vsako skupino.
3. Instrumenti za demonstracijo: galvanometer, tuljava, magnet.

Kratek povzetek lekcije

1. Organizacijski trenutek

Naloga : ustvarjanje ugodnega psihološkega razpoloženja.

1. Posodabljanje referenčnega znanja

Naloga : ponoviti in poglobiti znanje, potrebno za učenje nove snovi.

Učna metoda - hevristični pogovor;

Oblike organiziranosti kognitivna dejavnost(FOPD) – čelni;

Učna metoda je reproduktivna.

Ponovitev osnovnih pojmov na temo "Elektromagnetna indukcija, Lenzovo pravilo, magnetni tok."

Leta 1821 je veliki angleški znanstvenik zapisal v svoj dnevnik: "Pretvorite magnetizem v elektriko." Po 10 letih je bil ta problem rešen.

Kako se je imenoval fizikalni pojav, ki ga je odkril Faraday?

Delali bomo v skupinah po 2-3 osebe, od katerih vsaka dobi nalogo.

1-2 minuti za razmislek, nato predstavniki skupin poročajo o ponovitvi.

Naloga : ponovitev osnovnih pojmov.

• FOPD – samostojno delo v skupinah.
• Metoda poučevanja – raziskovalna, induktivna

Kartica #1:

Kdaj in kdo je odkril pojav elektromagnetne indukcije?

Kaj je pojav elektromagnetne indukcije?

Kartica #2:

Faradayev eksperiment: postavitev, demonstracija.

Pod kakšnimi pogoji nastane tok v zaprtem vodniku?

Kartica #3:

Lenzovo pravilo.

Kartica #4:

Katera fizikalna količina označuje magnetno polje v vsaki točki prostora?

Katera fizična količina označuje porazdelitev magnetnega polja po površini, omejeni z zaprto konturo?

Formula, merska enota.

Kartica št. 5-6:

Določite smer indukcijskega toka v zaprti zanki.

Skupinska poročila.

Naloge:

• razvijati govorna kultura, sposobnost povzemanja gradiva, poudarjanja glavne stvari.
• gojiti moralne lastnosti posameznika, povezane z odnosi v razredu.

Metoda poučevanja - induktivna

Sprejem usposabljanja - hevristični pogovor

1. Učenje nove snovi

Povzemite zaključke, ki so jih dosegle skupine.

načrt:

1. Kaj določa jakost indukcijskega toka v zaprtem vodniku?
2. Kako se imenuje inducirana emf?
3. Oblikovanje zakona elektromagnetne indukcije.
4. Zakaj je zakon oblikovan za EMF in ne za tok?
5. Kaj pomeni znak (-) v zakonu?
6. Kako zapisati zakon elektromagnetne indukcije z uporabo koncepta derivata?

Splošni načrt za preučevanje pojava:

• Zunanji znaki pojavi;
• Pogoj za njegov nastanek;
• Eksperimentalna reprodukcija pojava;
• Mehanizem pojava;
• Kvantitativne značilnosti pojavi;
• Njena razlaga temelji na teorijah;
• Praktična uporaba pojavov;
• Vpliv pojava na človeka in naravo.

Za ponovitev in proučevanje pojava elektromagnetne indukcije smo uporabili metodo znanstveno spoznanje. Njegove temelje je sredi 16. stoletja postavil Galileo Galilei.

Diagram metode:

• kopičenje dejstev;
• gradnja teorije;
• eksperimentalni dokaz hipoteze;
• praktična uporaba teorije.

Metoda znanstvenega spoznanja nam omogoča, da objektivno odražamo resničnost ne samo v fiziki, ampak tudi na drugih področjih znanosti.

1. Reševanje problemov.

Na enotnem državnem izpitu:

Grafične naloge (del A)

Računske težave (del B, C)

Naloga: pridobiti informacije o stopnji obvladovanja snovi.

FOPD – posameznik

Metoda usposabljanja - vaje

Naloga:

Na sliki 1-3 so prikazani zaprti prevodni okvirji, postavljeni v magnetno polje, katerih črte magnetne indukcije so usmerjene proti nam, pravokotno na ravnino risbe. Ali se v okvirju pojavi inducirani tok?

1. odsev:

naučil sem se ...

Ugotovil sem ...

razumem …

1. Domače naloge (diferencirane):

1. Zbirka problemov G.N. Stepanova št. 1128, 1129

Učbenik fizike, 11. razred (Myakishev G.Ya.) §11.

2. Ali sestavi 2 nalogi, podobni deloma A in B, ali ju poišči v učbenikih, reši in razloži. Diapozitiv 2

Kartica št. 1: Kdaj in kdo je odkril pojav elektromagnetne indukcije? Kaj je pojav elektromagnetne indukcije?

Kartica št. 2: Faradayev eksperiment: postavitev, demonstracija. Pod kakšnimi pogoji nastane tok v zaprtem vodniku?

Kartica #3: Lenzovo pravilo

Kartica št. 4: Katera fizikalna veličina označuje magnetno polje v posamezni točki prostora? Katera fizična količina označuje porazdelitev magnetnega polja po površini, omejeni z zaprto konturo? Formula, merska enota.

Kartica št. 5-6: Določite smer indukcijskega toka v zaprti zanki

Načrt: Od česa je odvisna jakost indukcijskega toka v zaprtem vodniku? Kako se imenuje inducirana emf? Oblikovanje zakona elektromagnetne indukcije. Zakaj je zakon oblikovan za EMF in ne za tok? Kaj pomeni znak (-) v zakonu? Kako zapisati zakon elektromagnetne indukcije z uporabo koncepta derivata?

Splošni načrt za preučevanje pojava: Zunanji znaki pojava; Pogoj za njegov nastanek; Eksperimentalna reprodukcija pojava; Mehanizem pojava; Kvantitativne značilnosti pojava; Njena razlaga temelji na teorijah; Praktična uporaba pojavov; Vpliv pojava na človeka in naravo.

Shema metode: kopičenje dejstev, konstrukcija teorij, eksperimentalni dokaz hipoteze, praktična uporaba teorij

Problem: Slika 1-3 prikazuje sklenjene prevodne okvirje postavljene v magnetno polje, katerih črte magnetne indukcije so usmerjene proti nam, pravokotno na ravnino risbe. Ali se v okvirju pojavi inducirani tok? 1) 2) 3)

Refleksija: Naučil sem se ... Naučil sem se ... Razumel sem ...