Закон електромагнітної індукції конспект. План-конспект уроку з фізики. Напрямок індукційного струму. Правило Ленца. Електромагнітна індукція в сучасній техніці

Явище електромагнітної індукції було відкрито видатним англійським фізиком М. Фарадеєм в 1831 р Воно полягає у виникненні електричного струму в замкнутому провідному контурі при зміні в часі магнітного потоку, що пронизує контур.
Магнітним потоком Φ через площу S контуру називають величину

Φ = B · S · cos α,

Де B - модуль вектора магнітної індукції, α - кут між вектором і нормаллю до площини контуру (рис. 4.20.1).

Малюнок 4.20.1.
Магнітний потік через замкнутий контур. Напрямок нормалі і вбрання позитивний напрямок обходу контуру пов'язані правилом правого гвинта.
Визначення магнітного потоку неважко узагальнити на випадок неоднорідного магнітного поляі неплоского контуру. Одиниця магнітного потоку в системі СІ називається Вебером (Вб). Магнітний потік, що дорівнює 1 Вб, створюється магнітним полем з індукцією 1 Тл, що пронизує у напрямку нормалі плоский контур площею 1 м2:

1 Вб = 1 Тл · 1 м2.

Фарадей експериментально встановив, що при зміні магнітного потоку в провідному контурі виникає ЕРС індукції Eінд, рівна швидкостізміни магнітного потоку через поверхню, обмежену контуром, взятої зі знаком мінус:

Досвід показує, що індукційний струм, що порушується в замкнутому контурі при зміні магнітного потоку, завжди спрямований так, що створюється їм магнітне поле перешкоджає зміні магнітного потоку, що викликає індукційний струм. Це твердження називається правилом Ленца (1833 г.).
Мал. 4.20.2 ілюструє правило Ленца на прикладі нерухомого проводить контуру, який знаходиться в однорідному магнітному полі, модуль індукції якого збільшується в часі.

Малюнок 4.20.2.
Ілюстрація правила Ленца. У цьому прикладі а інд< 0. Индукционный ток Iинд течет навстречу выбранному положительному направлению обхода контура.
Правило Ленца відображає той експериментальний факт, що інд і завжди мають протилежні знаки (знак «мінус» у формулі Фарадея). Правило Ленца має глибокий фізичний зміст- воно виражає закон збереження енергії.
Зміна магнітного потоку, що пронизує замкнутий контур, може відбуватися з двох причин.
1. Магнітний потік змінюється внаслідок переміщення контуру або його частин в постійному в часі магнітному полі. Це випадок, коли провідники, а разом з ними і вільні носії заряду, рухаються в магнітному полі. Виникнення ЕРС індукції пояснюється дією сили Лоренца на вільні заряди в рухомих провідниках. Сила Лоренца грає в цьому випадку роль сторонньої сили.
Розглянемо як приклад виникнення ЕРС індукції в прямокутному контурі, вміщеному в однорідне магнітне поле перпендикулярний площиніконтуру. Нехай одна зі сторін контуру довжиною l ковзає зі швидкістю по двом іншим сторонам (рис. 4.20.3).

Малюнок 4.20.3.
Виникнення ЕРС індукції в рухомому провіднику. Вказана складова сили Лоренца, що діє на вільний електрон.
На вільні заряди на цій ділянці контуру діє сила Лоренца. Одна зі складових цієї сили, пов'язана з переносною швидкістю зарядів, спрямована уздовж провідника. Ця складова вказана на рис. 4.20.3. Вона грає роль сторонньої сили. Її модуль дорівнює

Робота сили FЛ на шляху l дорівнює

A = FЛ · l = eυBl.

За визначенням ЕРС

В інших нерухомих частинах контуру стороння сила дорівнює нулю. Співвідношенню для інд можна надати звичний вигляд. За час Δt площа контуру змінюється на ΔS = lυΔt. Зміна магнітного потоку за цей час одно ΔΦ = BlυΔt. отже,

Для того, щоб встановити знак у формулі, що зв'язує інд і потрібно вибрати узгоджені між собою за правилом правого гвинта напрямок нормалі і позитивний напрямок обходу контуру як це зроблено на рис. 4.20.1 і 4.20.2. Якщо це зробити, то легко прийти до формули Фарадея.
Якщо опір всього ланцюга дорівнює R, то по ній буде протікати індукційний струм, рівний Iінд = інд / R. За час Δt на опорі R виділиться джоулево тепло (див. § 4.11)

Виникає питання: звідки береться ця енергія, адже сила Лоренца роботи не робить! Цей парадокс виник тому, що ми врахували роботу тільки однієї складової сили Лоренца. При протіканні індукційного струму по провіднику, що знаходиться в магнітному полі, на вільні заряди діє ще одна складова сили Лоренца, пов'язана з відносною швидкістю руху зарядів уздовж провідника. Ця складова відповідальна за появу сили Ампера. Для випадку, зображеного на рис. 4.20.3, модуль сили Ампера дорівнює FA = IBl. Сила Ампера спрямована назустріч руху провідника; тому вона робить негативну механічну роботу. За час Δt ця робота Aмех дорівнює

Рухомий в магнітному полі провідник, по якому протікає індукційний струм, відчуває магнітне гальмування. повна роботасили Лоренца дорівнює нулю. Джоулево тепло в контурі виділяється або за рахунок роботи зовнішньої сили, яка підтримує швидкість провідника незмінною, або за рахунок зменшення кінетичної енергії провідника.
2. Друга причина зміни магнітного потоку, що пронизує контур, - зміна в часі магнітного поля при нерухомому контурі. В цьому випадку виникнення ЕРС індукції вже не можна пояснити дією сили Лоренца. Електрони в нерухомому провіднику можуть приводитися в рух тільки електричним полем. Це електричне поле породжується змінюється в часі магнітним полем. Робота цього поля при переміщенні одиничного позитивного заряду по замкнутому контуру дорівнює ЕРС індукції в нерухомому провіднику. Отже, електричне поле, породжене постійно змінюваних магнітним полем, не є потенційним. Його називають вихровим електричним полем. Подання про вихровому електричному полі було введено в фізику великим англійським фізиком Дж. Максвеллом (1861).
Явище електромагнітної індукції в нерухомих провідниках, що виникає при зміні навколишнього магнітного поля, також описується формулою Фарадея. Таким чином, індукційні в рухомих і нерухомих провідниках протікають однаково, але фізична причина виникнення індукційного струму виявляється в цих двох випадках різної: у разі рухомих провідників ЕРС індукції обумовлена ​​силою Лоренца; в разі нерухомих провідників ЕРС індукції є наслідком дії на вільні заряди вихрового електричного поля, Що виникає при зміні магнітного поля.

Електромагнітна індукція- це явище, яке полягає у виникненні електричного струму в замкнутому провіднику в результаті зміни магнітного поля, в якому він знаходиться. Це явище відкрив англійський фізик М. Фарадей в 1831 р Суть його можна пояснити кількома простими дослідами.

Описаний в дослідах Фарадея принцип отримання змінного струмувикористовується в індукційних генераторах, що виробляють електричну енергію на теплових або гідроелектростанціях. Опір обертанню ротора генератора, що виникає при взаємодії індукційного струму з магнітним полем, долається за рахунок роботи парової або гідротурбіни, обертає ротор. такі генератори перетворять механічну енергіюв енергію електричного струму .

Вихрові струми, або струми Фуко

Якщо масивний провідник помістити в змінне магнітне поле, то в цьому провіднику завдяки явищу електромагнітної індукції виникають вихрові індукційні струми, звані струмами Фуко.

вихрові струмивиникають також при русі масивного провідника в постійному, але неоднорідному в просторі магнітному полі. Токи Фуко мають такий напрямок, що діюча на них в магнітному полі сила гальмує рух провідника. Маятник у вигляді суцільної металевої пластинки з немагнітного матеріалу, що здійснює коливання між полюсами електромагніту, різко зупиняється при включенні магнітного поля.

У багатьох випадках нагрівання, яке викликається струмами Фуко, виявляється шкідливим, і з ним доводиться боротися. Сердечники трансформаторів, ротори електродвигунів набирають з окремих залізних пластин, розділених шарами ізолятора, що перешкоджає розвитку великих індукційних струмів, а самі пластини виготовляють із сплавів, що мають високий питомий опір.

Електромагнітне поле

Електричне поле, створене нерухомими зарядами, є статичним і діє на заряди. Постійний струм викликає поява постійного в часі магнітного поля, що діє на рухомі заряди і струми. Електричне і магнітне поля існують в цьому випадку незалежно один від одного.

явище електромагнітної індукціїдемонструє взаємодію цих полів, що спостерігається в речовинах, в яких є вільні заряди, т. е. в провідниках. Змінне магнітне поле створює змінне електричне поле, яке, діючи на вільні заряди, створює електричний струм. Цей струм, будучи змінним, в свою чергу породжує змінне магнітне поле, що створює електричне поле в тому ж провіднику, і т. Д.

Сукупність змінного електричного і змінного магнітного полів, що породжують один одного, називається електромагнітним полем . Воно може існувати і в середовищі, де немає вільних зарядів, і поширюється в просторі у вигляді електромагнітної хвилі.

Класична електродинаміка- одне з вищих досягненьлюдського розуму. Вона справила величезний вплив на подальший розвиток людської цивілізації, Передбачивши існування електромагнітних хвиль. Це призвело в подальшому до створення радіо, телебачення, телекомунікаційних систем, супутникових засобів навігації, а також комп'ютерів, промислових і побутових роботів і інших атрибутів сучасного життя.

наріжним каменем теорії Максвелластало твердження, що джерелом магнітного поля може служити одне тільки змінне електричне поле, подібно до того, як джерелом електричного поля, що створює в провіднику індукційний струм, служить змінне магнітне поле. Наявність провідника при цьому не обов'язково - електричне поле виникає і в порожньому просторі. Лінії змінного електричного поля, аналогічно лініях магнітного поля, замкнуті. Електричне і магнітне поля електромагнітної хвилі рівноправні.

Електромагнітна індукція в схемах і таблицях

У 1831 році англійський вчений фізик в своїх дослідах М.Фарадей відкрив явище електромагнітної індукції. Потім вивченням цього явища займалися російські вчений Е.Х. Ленц і Б.С.Якобі.

В даний час, в основі багатьох пристроїв лежить явище електромагнітної індукції, наприклад в двигуні або генераторі електричного струму струму, в трансформаторах, радіоприймачах, і багатьох інших пристроях.

Електромагнітна індукція- це явище виникнення струму в замкнутому провіднику, при проходженні через нього магнітного потоку. Тобто, завдяки цьому явищу ми можемо перетворювати механічну енергію в електричну - і це чудово. Адже до відкриття цього явища люди не знали про методи отримання електричного струму, крім гальваніки.

Коли провідник виявляється під дією магнітного поля, в ньому виникає ЕРС, яку кількісно можна виразити через закон електромагнітної індукції.

Закон електромагнітної індукції

Електрорушійна сила, индуцируемая в провідному контурі, дорівнює швидкості зміни магнітного потоку, зчіпного з цим контуром.

У котушці, яка має кілька витків, загальна ЕРС залежить від кількості витків n:

Але в загальному випадку, застосовують формулу ЕРС із загальним потокозчеплення:

ЕРС порушується в контурі, створює струм. найбільш простим прикладомпояви струму в провіднику є котушка, через яку проходить постійний магніт. Напрямок индуцируемого струму можна визначити за допомогою правила Ленца.

правило Ленца

Струм, індукований при зміні магнітного поля проходить через контур, своїм магнітним полем перешкоджає цьому зміни.

У тому випадку, коли ми вводимо магніт в котушку, магнітний потік в контурі збільшується, а значить магнітне поле, створюване індукованим струмом, за правилом Ленца, направлено проти збільшення поля магніту. Щоб визначити напрямок струму, потрібно подивитися на магніт з боку північного полюса. З цієї позиції ми будемо вкручувати буравчик у напрямку магнітного поля струму, тобто назустріч північного полюса. Струм буде рухатися у напрямку обертання гвинта, тобто за годинниковою стрілкою.

У тому випадку, коли ми виводимо магніт з котушки, магнітний потік в контурі зменшується, а значить магнітне поле, створюване індукованим струмом, спрямоване проти зменшення поля магніту. Щоб визначити напрямок струму, потрібно викручувати буравчик, напрямок обертання гвинта покаже напрямок струму в провіднику - проти годинникової стрілки.

На даному уроці, тема якого: «Правило Ленца. Закон електромагнітної індукції », ми дізнаємося загальне правило, Що дозволяє визначити напрямок індукційного струму в контурі, встановлене в 1833 р Е.X. Ленцем. Також розглянемо досвід з алюмінієвими кільцями, наочно демонструє це правило, і сформулюємо закон електромагнітної індукції

Наближенням або видаленням магніту від суцільного кільця ми міняємо магнітний потік, який пронизує площу кільця. Відповідно до теорії явища електромагнітної індукції, в кільці повинен виникнути індукційний електричний струм. З дослідів Ампера відомо, що там, де проходить струм, виникає магнітне поле. Отже, замкнуте кільце починає вести себе як магніт. Тобто відбувається взаємодія двох магнітів (постійний магніт, який ми рухаємо, і замкнутий контур з струмом).

Так як система не реагувала на наближення магніту до кільця з розрізом, то можна зробити висновок, що індукційний струм в незамкнутому контурі не виникає.

Причини відштовхування або притягання кільця до магніту

1. При наближенні магніту

При наближенні полюса магніту кільце відштовхується від нього. Тобто воно поводиться як магніт, у якого з нашого боку такої ж полюс, як у наближається магніту. Якщо ми наближаємо північний полюс магніту, то вектор магнітної індукції кільця з індукційним струмом спрямований у протилежний бік щодо вектора магнітної індукції північного полюса магніту (див. Рис. 2).

Мал. 2. Наближення магніту до кільця

2. При видаленні магніту від кільця

При видаленні магніту кільце тягнеться за ним. Отже, з боку удаляющегося магніту у кільця утворюється протилежний полюс. Вектор магнітної індукції кільця зі струмом спрямований в ту ж сторону, що і вектор магнітної індукції удаляющегося магніту (див. Рис. 3).

Мал. 3. Видалення магніту від кільця

З даного досвіду можна зробити висновок, що при русі магніту кільце поводиться також як магніт, полярність якого залежить від того, збільшується чи зменшується магнітний потік, що пронизує площу кільця. Якщо потік зростає, то вектори магнітної індукції кільця і ​​магніту протилежні за напрямком. Якщо магнітний потік крізь кільце зменшується з часом, то вектор індукції магнітного поля кільця збігається за напрямком з вектором індукції магніту.

Напрямок індукційного струму в кільці можна визначити за правилом правої руки. Якщо направити великий палець правої руки по напрямку вектора магнітної індукції, то чотири зігнутих пальця вкажуть напрямок струму в кільці (див. Рис. 4).

Мал. 4. Правило правої руки

При зміні магнітного потоку, що пронизує контур, в контурі виникає індукційний струм такого напрямку, щоб своїм магнітним потоком компенсувати зміну зовнішнього магнітного потоку.

Якщо зовнішній магнітний потік зростає, то індукційний струм своїм магнітним полем прагне сповільнити це зростання. Якщо магнітний потік зменшується, то індукційний струм своїм магнітним полем прагне сповільнити це спадання.

Ця особливість електромагнітної індукції виражається знаком «мінус» у формулі ЕРС індукції.

Закон електромагнітної індукції

При зміні зовнішнього магнітного потоку, що пронизує контур, в контурі виникає індукційний струм. При цьому значення електрорушійної силичисельно дорівнює швидкості зміни магнітного потоку, взятої зі знаком «-».

Правило Ленца є наслідком закону збереження енергії в електромагнітних явищах.

Список літератури

1. Мякішев Г.Я. Фізика: Учеб. для 11 кл. загальноосвіт. установ. - М .: Просвещение, 2010 року.
2. Касьянов В.А. Фізика. 11 кл .: Учеб. для загальноосвіт. установ. - М .: Дрофа, 2005.
3. Генденштейн Л.Е., Дік Ю.І., Фізика 11. - М .: Мнемозина.

Домашнє завдання

1. Питання в кінці параграфа 10 (стор. 33) - Мякішев Г.Я. Фізика 11 (див. Список рекомендованої літератури)
2. Як формулюється закон електромагнітної індукції?
3. Чому у формулі для закону електромагнітної індукції стоїть знак «-»?

1. Інтернет-портал Festival.1september.ru ().
2. Інтернет-портал Physics.kgsu.ru ().
3. Інтернет-портал Youtube.com ().

Мета уроку:

Навчальна:

вивчити закон електромагнітної індукції.

розвиваюча:

1) формування інформаційних компетенцій;

2) розвиток навичок самостійної роботи з підручником;

3) вдосконалення інтелектуальних здібностей і розумових умінь учнів.

Виховна:

формування комунікативних якостей особистостей.

устаткування:

1. Дидактичні картки з питаннями для кожної групи.
2. Тестові завдання для кожної групи.
3. Прилади для демонстрації: гальванометр, котушка, магніт.

Короткий конспект уроку

1. організаційний момент

завдання : Створення сприятливого психологічного настрою.

1. Актуалізація опорних знань

завдання : Повторити і поглибити знання, необхідні для вивчення нового матеріалу.

Прийом навчання - евристична бесіда;

форми організації пізнавальної діяльності(ФОПД) - фронтальна;

Метод навчання - репродуктивний.

Повторення основних понять по темі «Електромагнітна індукція, правило Ленца, магнітний потік».

У 1821 році великий англійський учений записав у своєму щоденнику: «Перетворити магнетизм в електрику». Через 10 років це завдання було і вирішена.

Як називалося відкрите Фарадеєм фізичне явище?

Працювати будемо в групах по 2-3 людини, кожна з яких отримує завдання.

На обдумування по 1-2 хвилини, після чого представники груп звітують з повторення.

завдання : Повторити основні поняття.

• ФОПД - самостійна роботав групах.
• Метод навчання - дослідний, індуктивний

Картка №1:

Коли і ким було відкрито явище електромагнітної індукції?

В чому полягає явище електромагнітної індукції?

Картка №2:

Досвід Фарадея: установка, демонстрація.

За якої умови в замкнутому провіднику виникає струм?

Картка №3:

Правило Ленца.

Картка №4:

яка фізична величинахарактеризує магнітне поле в кожній точці простору?

Яка фізична величина характеризує розподіл магнітного поля по поверхні, обмеженої замкнутим контуром?

Формула, одиниця виміру.

Картка № 5-6:

Визначити напрямок індукційного струму в замкненому контурі.

Звіти груп.

завдання:

• розвивати мовну культуру, Вміння узагальнювати матеріал, виділяти головне.
• виховувати моральні якості особистості, пов'язані із взаємовідносинами в класному колективі.

Метод навчання - індуктивний

Прийом навчань - евристична бесіда

1. Вивчення нового матеріалу

Узагальнити висновки, зроблені групами.

план:

1. Від чого залежить сила індукційного струму в замкненому провіднику?
2. Що називають ЕРС індукції?
3. Формулювання закону електромагнітної індукції.
4. Чому закон формулюється для ЕРС, а не для сили струму?
5. Що означає знак (-) в законі?
6. Як записати закон електромагнітної індукції, використовуючи поняття похідної?

Узагальнений план вивчення явища:

• зовнішні ознакиявища;
• Умова його протікання;
• Експериментальне відтворення явища;
• Механізм протікання явища;
• кількісні характеристикиявища;
• Його пояснення на основі теорій;
• Практичне застосування явищ;
• Вплив явища на людину і природу.

Для повторення і вивчення явища електромагнітної індукції ми використовували метод наукового пізнання. Його основи заклав в середині 16 століття Галілео Галілей.

Схема методу:

• накопичення фактів;
• побудова теорій;
• дослідне доказ гіпотези;
• практичне застосуваннятеорій.

Метод наукового пізнання дозволяє об'єктивно відображати дійсність не тільки у фізиці, але і в інших областях науки.

1. Розв'язання задач.

На ЄДІ:

Графічні завдання (частина А)

Розрахункові завдання (частина В, С)

завдання: отримати інформацію про ступінь засвоєння матеріалу.

ФОПД - індивідуальна

Прийом навчання - вправи

завдання:

На малюнку 1-3 зображені замкнуті проводять рамки, поміщені в магнітне поле, лінії магнітної індукції якого спрямовані до нас, перпендикулярно площині креслення. Чи виникає індукційний струм в рамці?

1. рефлексія:

Я навчився …

Я дізнався …

Я зрозумів …

1. Домашнє завдання (диференційовано):

1.Сборнік завдань Г.Н. Степанової № 1128, 1129

Підручник з фізики 11 клас (Мякішев Г.Я.) §11.

2.Лібо скласти 2 завдання, аналогічні частинам А і Б, або знайти в посібниках, вирішити і пояснити.слайд 2

Картка №1: Коли і ким було відкрито явище електромагнітної індукції? В чому полягає явище електромагнітної індукції?

Картка №2: Досвід Фарадея: установка, демонстрація. За якої умови в замкнутому провіднику виникає струм?

Картка №3: ​​Правило Ленца

Картка №4: Яка фізична величина характеризує магнітне поле в кожній точці простору? Яка фізична величина характеризує розподіл магнітного поля по поверхні, обмеженої замкнутим контуром? Формула, одиниця виміру.

Картка № 5-6: Визначити напрямок індукційного струму в замкненому контурі

План: Від чого залежить сила індукційного струму в замкненому провіднику? Що називають ЕРС індукції? Формулювання закону електромагнітної індукції. Чому закон формулюється для ЕРС, а не для сили струму? Що означає знак (-) в законі? Як записати закон електромагнітної індукції, використовуючи поняття похідної?

Узагальнений план вивчення явища: Зовнішні ознаки явища; Умова його протікання; Експериментальне відтворення явища; Механізм протікання явища; Кількісні характеристики явища; Його пояснення на основі теорій; Практичне застосування явищ; Вплив явища на людину і природу.

Схема методу: накопичення фактів побудова теорій дослідне доказ гіпотези практичне застосування теорій

Завдання: На малюнку 1-3 зображені замкнуті проводять рамки, поміщені в магнітне поле, лінії магнітної індукції якого спрямовані до нас, перпендикулярно площині креслення. Чи виникає індукційний струм в рамці? 1) 2) 3)

Рефлексія: Я навчився ... Я дізнався ... Я зрозумів ...