Открытая Физика. Электромагнитная индукция. Правило Ленца

Явление электромагнитной индукции было открыто выдающимся английским физиком М. Фарадеем в 1831 г. Оно заключается в возникновении электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменении во времени магнитного потока, пронизывающего контур.

Магнитным потоком Φ через площадь S контура называют величину Φ = B · S · cos α, где B – модуль вектора магнитной индукции, α – угол между вектором B→ и нормалью n→ к плоскости контура (рис. 1.20.1).

Магнитный поток через замкнутый контур. Направление нормали n→ и выбранное положительное направление l→ обхода контура связаны правилом правого буравчика

Определение магнитного потока нетрудно обобщить на случай неоднородного магнитного поля и неплоского контура. Единица магнитного потока в системе СИ называется вебером (Вб). Магнитный поток, равный 1 Вб, создается магнитным полем с индукцией 1 Тл, пронизывающим по направлению нормали плоский контур площадью

1 м²: 1 Вб = 1 Тл · 1 м².

Фарадей экспериментально установил, что при изменении магнитного потока в проводящем контуре возникает ЭДС индукции ℰ_инд, равная скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, взятой со знаком минус: ℰинд=-ΔΦΔt.

Эта формула носит название закона Фарадея.

Опыт показывает, что индукционный ток, возбуждаемый в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, всегда направлен так, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызывающего индукционный ток. Это утверждение, сформулированное в 1833 г., называется правилом Ленца.

Рис. 1.20.2 иллюстрирует правило Ленца на примере неподвижного проводящего контура, который находится в однородном магнитном поле, модуль индукции которого увеличивается во времени.

Иллюстрация правила Ленца. В этом примере ΔΦΔt>0, а ℰ_инд < 0. Индукционный ток I_инд течет навстречу выбранному положительному направлению l→ обхода контура

Правило Ленца отражает тот экспериментальный факт, что ℰ_инд и ΔΦΔt всегда имеют противоположные знаки (знак «минус» в формуле Фарадея). Правило Ленца имеет глубокий физический смысл – оно выражает закон сохранения энергии.

Изменение магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур, может происходить по двум причинам.

1. Магнитный поток изменяется вследствие перемещения контура или его частей в постоянном во времени магнитном поле. Это случай, когда проводники, а вместе с ними и свободные носители заряда, движутся в магнитном поле. Возникновение ЭДС индукции объясняется действием силы Лоренца на свободные заряды в движущихся проводниках. Сила Лоренца играет в этом случае роль сторонней силы.

Рассмотрим в качестве примера возникновение ЭДС индукции в прямоугольном контуре, помещенном в однородное магнитное поле B→, перпендикулярное плоскости контура. Пусть одна из сторон контура длиной l скользит со скоростью υ→ по двум другим сторонам (рис. 1.20.3).

Возникновение ЭДС индукции в движущемся проводнике. Указана составляющая силы Лоренца, действующей на свободный электрон

На свободные заряды на этом участке контура действует сила Лоренца. Одна из составляющих этой силы, связанная с переносной скоростью υ→ зарядов, направлена вдоль проводника. Эта составляющая указана на рис. 1.20.3. Она играет роль сторонней силы. Ее модуль равен F_Л = eυB

Работа силы F_Л на пути l равна A = F_Л · l = eυBl.

По определению ЭДС ℰинд=Ae=υBl.

В других неподвижных частях контура сторонняя сила равна нулю. Соотношению для ℰ_инд можно придать привычный вид. За время Δt площадь контура изменяется на ΔS = lυΔt. Изменение магнитного потока за это время равно ΔΦ = BlυΔt. Следовательно, |ℰинд|=|ΔΦΔt|.

Для того, чтобы установить знак в формуле, связывающей ℰ_инд и ΔΦΔt, нужно выбрать согласованные между собой по правилу правого буравчика направление нормали n→ и положительное направление обхода контура l→, как это сделано на рис. 1.20.1 и 1.20.2. Если это сделать, то легко прийти к формуле Фарадея.

Если сопротивление всей цепи равно

R, то по ней будет протекать индукционный ток, равный I_инд = ℰ_инд/R. За время Δt на сопротивлении R выделится джоулево тепло ΔQ=RIинд2Δt=υ2B2l2RΔt.

Возникает вопрос: откуда берется эта энергия, ведь сила Лоренца работы не совершает! Этот парадокс возник потому, что мы учли работу только одной составляющей силы Лоренца. При протекании индукционного тока по проводнику, находящемуся в магнитном поле, на свободные заряды действует еще одна составляющая силы Лоренца, связанная с относительной скоростью движения зарядов вдоль проводника. Эта составляющая ответственна за появление силы Ампера F→A. Для случая, изображенного на рис. 1.20.3, модуль силы Ампера равен

F_A = I B l. Сила Ампера направлена навстречу движению проводника; поэтому она совершает отрицательную механическую работу. За время Δt эта работа A_мех равна Aмех=-FυΔt=-I B l υ Δt=-υ2B2l2RΔt.

Движущийся в магнитном поле проводник, по которому протекает индукционный ток, испытывает магнитное торможение. Полная работа силы Лоренца равна нулю. Джоулево тепло в контуре выделяется либо за счет работы внешней силы, которая поддерживает скорость проводника неизменной, либо за счет уменьшения кинетической энергии проводника.

2. Вторая причина изменения магнитного потока, пронизывающего контур, – изменение во времени магнитного поля при неподвижном контуре. В этом случае возникновение ЭДС индукции уже нельзя объяснить действием силы Лоренца. Электроны в неподвижном проводнике могут приводиться в движение только электрическим полем. Это электрическое поле порождается изменяющимся во времени магнитным полем. Работа этого поля при перемещении единичного положительного заряда по замкнутому контуру равна ЭДС индукции в неподвижном проводнике. Следовательно, электрическое поле, порожденное изменяющимся магнитным полем,

не является потенциальным. Его называют вихревым электрическим полем. Представление о вихревом электрическом поле было введено в физику великим английским физиком Дж. Максвеллом в 1861 г.

Явление электромагнитной индукции в неподвижных проводниках, возникающее при изменении окружающего магнитного поля, также описывается формулой Фарадея. Таким образом, явления индукции в движущихся и неподвижных проводниках протекают одинаково, но физическая причина возникновения индукционного тока оказывается в этих двух случаях различной: в случае движущихся проводников ЭДС индукции обусловлена силой Лоренца; в случае неподвижных проводников ЭДС индукции является следствием действия на свободные заряды вихревого электрического поля, возникающего при изменении магнитного поля.

Электромагнитная индукция Опыты Фарадея Генератор переменного тока

“Индукция и дедукция в физике”. Эйнштейн. Его жизнь и его Вселенная

“Индукция и дедукция в физике”

Ну и какой эффект оказали на Эйнштейна, вынашивавшего свои идеи по относительности, результаты эксперимента Майкельсона и Морли, которые не обнаружили свидетельств существования эфира и изменения наблюдаемой скорости света в зависимости от того, в каком направлении движется наблюдатель? Послушать его самого, так вообще никакого. Временами он утверждал (и ошибался), что до 1905 года вообще об этих экспериментах ничего не знал. Противоречивые заявления Эйнштейна в течение последующих пятидесяти лет о влиянии на его работы опыта Майкельсона – Морли полезно принять во внимание как напоминание о том, насколько нужно быть осторожным при анализе истории, основанной на смутных воспоминаниях

20.

Путаница с высказываниями Эйнштейна началась в 1922 году, когда он в приветствии конференции, произнесенном им в японском городе Киото, заметил, что неудачная попытка Майкельсона обнаружить эфир была “первой ниточкой, которая привела меня к тому, что мы называем принципом специальной теории относительности”. А в тосте на обеде в Пасадене в честь Майкельсона в 1931 году Эйнштейн, отдав должное именитому экспериментатору, выразился очень витиевато: “Вы обнаружили коварное противоречие в существующей в то время “эфирной” теории света и стимулировали возникновение концепций Лоренца – Фицджеральда, из которых выросла специальная теория относительности”²¹.

Эйнштейн описал свой мыслительный процесс в беседах с основоположником гештальтпсихологии Максом Вертгеймером, который позднее назвал результаты эксперимента Майкельсона – Морли “ключевыми”, задавшими направление мыслительного процесса Эйнштейна. Но Артур И. Миллер показал, что это утверждение, возможно, было обусловлено тем, что Вертгеймер хотел использовать эту историю в качестве иллюстрации успешности принципов гештальтпсихологии²².

В последние годы жизни Эйнштейн внес еще большую путаницу в этот вопрос, сделав ряд утверждений на эту тему в беседах с физиком Робертом Шенкландом. Сначала он заявил, что прочитал про эксперимент Майкельсона – Морли только после 1905 года, потом – что прочитал о нем в книге Лоренца до 1905 года, а в конце добавил: “Я думаю, что считал этот результат само собой разумеющимся

”23.

Последнее утверждение – наиболее важное, поскольку Эйнштейн повторял его много раз. К тому времени как он начал серьезно работать над теорией относительности, он просто принял как само собой разумеющееся, что не нужно изучать все эксперименты, связанные с поиском движения эфира, поскольку согласно его изначальной точке зрения все попытки найти эфир были обречены на неудачу²⁴. Для него смысл этих экспериментальных результатов состоял в том, что они укрепляли его уверенность в применимости принципа относительности Галилея и к световым волнам²⁵.

Это, возможно, и объясняет незаслуженно малое внимание, которое он уделил результатам экспериментов в своей статье 1905 года. Он никогда не ссылался ни конкретно на эксперимент Майкельсона – Морли, даже когда этого требовала логика изложения, ни на эксперимент Физо, использовавшего движущуюся воду. Вместо этого сразу после дискуссий о том, что имеет значение лишь относительное движение магнита и катушки, он просто упомянул “неудавшиеся попытки определить движение Земли относительно светоносной среды” [24].

Некоторые научные теории строятся в первую очередь индуктивно: анализируется множество экспериментальных данных, а потом разрабатываются теории, объясняющие эти экспериментальные данные. Но некоторые теории создаются в основном при помощи дедукции: за основу берутся элегантные принципы и постулаты, признанные незыблемыми, и из них выводятся следствия. Все ученые применяют оба подхода в разных пропорциях. У Эйнштейна было отличное чутье на экспериментальные результаты, и он его использовал, чтобы отобрать те из них, которые можно использовать в качестве отправных точек для создания теории²⁶. Но упор он делал прежде всего на дедуктивный подход²⁷.

Вспомним, как в своей статье по броуновскому движению Эйнштейн так странно, но вполне точно приуменьшил значение экспериментальных результатов в том выводе, который был, по существу, получен с помощью теоретической дедукции. С теорией относительности была похожая ситуация. То, что он имел в виду, говоря о броуновском движении, он в точности повторил по поводу роли эксперимента Майкельсона – Морли при выводе принципа относительности: “Я был совершенно уверен в справедливости этого принципа до того, как узнал об этом эксперименте и его результатах”.

На самом деле все три эпохальные статьи 1905 года начинаются с описания его намерения использовать дедуктивный подход. Каждую из них он начинает не со ссылки на необъясненные экспериментальные результаты, а с указания на некоторые несообразности, которые следуют из альтернативных теорий. Затем он формулирует некие важные принципы и в то же время приуменьшает роль опытных данных, будь то броуновское движение, излучение твердого тела или скорость света²⁸.

В работе 1919 года “Индукция и дедукция в физике” он описал причины, по которым предпочитал такой подход:

“Простейшее представление о том, как возникает эмпирическая наука, можно получить из сравнения с индуктивным методом. Отдельные факты отбираются и группируются таким образом, что закономерности, объединяющие их становятся очевидными… Однако на этом пути большого продвижения в научном познании не будет. <…> По-настоящему большой прогресс в нашем постижении науки может возникнуть только на пути, диаметрально противоположном индукции. Интуитивное понимание сущности большой совокупности фактов приводит ученого к постулированию гипотетической основной закономерности или закономерностей. Из этих закономерностей он уже выводит свои заключения”²⁹.

Его приверженность этому методу будет возрастать со временем. “Чем глубже мы проникаем в суть и чем более всеохватывающими становятся наши теории, – провозгласит он в конце жизни, – тем меньше эмпирических знаний нужно для того, чтобы создать эти теории”³⁰.

К началу 1905 года в своих попытках объяснить электродинамику Эйнштейн уже начал отдавать предпочтение дедуктивному методу, а не индуктивному. Позднее он скажет: “Постепенно я разочаровался в возможности открыть истинные законы природы, пытаясь конструктивно проанализировать полученные из экспериментов данные. Чем больше и чем отчаяннее я пытался это сделать, тем больше убеждался, что только открытие универсальных формальных принципов может привести нас к уверенным результатам”³¹.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

Электромагнитная индукция — Физика — Уроки

8 класс

Предмет:физика

Учитель физики: Мейриева Фатима Макшариповна.

УМК: Кабардин О.Ф.. Просвещение, 2016 г.

Тема: Электромагнитная индукция.

Цели:

образовательные: познакомить учащихся с явлением электромагнитной индукции, рассказать(если есть возможность воспроизвести) об опытах Фарадея, показать, что индукционный ток появляется при изменении внешнего магнитного поля;

воспитательные: формировать коммуникативные навыки учащихся; поддерживать интерес учащихся к предмету; через исторический материал и личность ученого формировать активную жизненную позицию учащихся.

развивающие: формирование навыков работы с оборудованием; развитие логического мышления; умений анализировать, сопоставлять полученные результаты, выделять сущность явления.

Средство обучения: Ф – 8 – К, карточки, портрет М.Фарадея,

Ход урока.

1. Орг.мом.

2. Проверка домашнего задания.

Фронтальный опрос.

1. Что такое электрический ток и какое направление он имеет?

(Электрическим током называется направленное движение заряженных частиц. Он всегда направлен от «+» к «»)

1. Магнитная стрелка, находящаяся вблизи провода, по которому идет ток, поворачивается. Это происходит под действием… (Только магнитного поля)

2. Два параллельных провода с токами, протекающими в одном направлении (______). Это явление исследовал (________) (притягиваются, Ампер)

3. Проводник показанный на рис. притягивается к магниту, потому что:…(на проводник действует сила Ампера)

4. Мысленно поставьте стрелку по направлению тока. Острие укажет нужную букву.

(Помогает правило «буравчика». Если вращать рукоятку буравчика по направлению силовых линий магнитного поля, то поступательное движение буравчика ( «ввинчивается» или «вывинчивается») даст направление тока в проводнике. На рисунке получаем направление индукционного тока сверху – вниз. Нужная буква — «И»)

1. Объяснение нового материала.

Явлением электромагнитной индукции называется явление возникновения электрического тока в проводнике под действием переменного магнитного поля.

Важно, что в данном случае проводник должен быть замкнут. В начале XIX в. после опытов датского ученого Эрстеда стало ясно, что электрический ток создает вокруг себя магнитное поле. После встал вопрос о том, нельзя ли получить электрический ток за счет магнитного поля, т.е. произвести обратные действия. Если электрический ток создает магнитное поле, то, наверное, и магнитное поле должно создавать электрический ток. В первой половине XIX века ученые обратились именно к таким опытам: стали искать возможность создания электрического тока за счет магнитного поля.

Опыты Фарадея

Впервые удалось достичь успех в этом (т.е. получить электрический ток за счет магнитного поля) английскому физику Майклу Фарадею. Итак, обратимся к опытам Фарадея.

Рис. 1. Опыт, аналогичный опыту Фарадея. При движении магнита в катушке, в ее цепи регистрируется электрический ток

Первая схема была довольно простой. Во – первых, М. Фарадей использовал в своих опытах катушку с большим числом витков. Катушка накоротко была присоединена к измерительному прибору, миллиамперметру (мА). Нужно сказать, что в те времена не было достаточно хороших инструментов для измерения электрического тока, поэтому пользовались необычным техническим решением: брали магнитную стрелку, располагали рядом с ней проводник, по которому протекал ток, и по отклонению магнитной стрелки судили о протекающем токе. Так вот в данном случае токи могли быть очень невелики, поэтому использовался прибор мА, т.е. тот, который измеряет маленькие токи.

Вдоль катушки М. Фарадей перемещал постоянный магнит – относительно катушки магнит двигался вверх и вниз.

Обращаем ваше внимание на то, что в этом эксперименте впервые было зафиксировано наличие электрического тока в цепи в результате изменения магнитного потока, который проходит сквозь катушку.

Фарадей обратил внимание и на тот факт, что стрелка мА отклоняется от своего нулевого значения, т.е. показывает, что в цепи существует электрический ток только тогда, когда магнит движется. Стоит только магниту остановиться, стрелка возвращается в первоначальное положение, в нулевое положение, т.е. никакого электрического тока в цепи в этом случае нет.

Вторая заслуга Фарадея – установление зависимости направления индукционного электрического тока от полярности магнита и направления его движения. Стоило Фарадею изменить полярность магнитов и пропускать магнит через катушку с большим числом витков, как тут же менялось направление индукционного тока, того, который возникает в замкнутой электрической цепи.

Т.о. мы пришли к тому, с чего начинали урок: подтвердилась гипотеза, что электрический ток возникает, когда изменяется магнитное поле.

Выводы: изменяющееся магнитное поле создает электрический ток. Направление электрического тока зависит от того, какой полюс магнита проходит в данный момент через катушку, в каком направлении движется магнит.

И еще: оказывается, на значение электрического тока влияет количество витков в катушке. Чем больше витков, тем и значение тока будет больше.

Обратимся теперь ко второму эксперименту Фарадея. В чем он заключался?

Рис. 2. Второй эксперимент по исследованию явления электромагнитной индукции

Две катушки размещались близко друг с другом. Одна катушка с большим числом витков подключалась к источнику тока, в этой цепи был ключ, который замыкал и размыкал цепь. Вторая катушка, тоже с большим числом витков, подключенная к миллиамперметру напрямую, никаких источников тока нет. Как только цепь замыкалась, миллиамперметр показывал наличие электрического тока в цепи. Как только цепь размыкалась, миллиамперметр вновь регистрировал наличие электрического тока, но направление электрического тока изменялось на противоположное. Пока цепь была замкнута, т.е. пока в цепи протекал электрический ток, миллиамперметр никакого тока в электрической цепи не регистрировал.

Выводы из экспериментов

Какие выводы были сделаны М.Фарадеем в результате этих экспериментов? 

Индукционный электрический ток появляется в замкнутой цепи только тогда, когда существует переменное магнитное поле. Причем это магнитное поле должно изменяться.

От чего зависит индукционный ток?

Если изменения магнитного поля не происходит, то не будет никакого электрического тока. Даже если магнитное поле существует. Мы можем сказать, что индукционный электрический ток прямо пропорционален, во – первых, числу витков, во – вторых, скорости магнитного поля, с которой изменяется это магнитное поле относительно витков катушки.

𝑁 – числа витков 𝓋 – скорости магнита

скорости изменения магнитного потока

величины магнитного поля магнита

Рис. 3. От чего зависит величина индукционного тока?

Для характеристики магнитного поля используется величина, которая называется магнитный поток. Она характеризует магнитное поле в целом, мы об этом будем говорить в старших классах. Сейчас отметим лишь, что именно изменение магнитного потока, т.е. числа линий магнитного поля, пронизывающих контур с током (катушку, например), приводит к возникновению в этом контуре индукционного тока.

 

1. Закрепление материала.

Для проверки усвоения материала учитель организует игру, в которой нужно ответить только «да» или «нет»:

1. Явление ЭМИ открыл французский физик Ампер? – нет.

2. Явление ЭМИ открыл в 1831 году английский ученый Фарадей? – да.

3. Явление ЭМИ заключается в возникновении в замкнутом контуре индукционного тока при изменении числа линий магнитной индукции, пронизывающих контур. – да.

4. Каким бы полюсом мы не вводили магнит в катушку, стрелка гальванометра будет отклоняться в одну сторону? – нет.

5. Д ля возникновения индукционного тока безразлично, что двигать, магнит или катушку? – да.

6. В катушке будет возникать ток, если в ней будет находиться неподвижный магнит? – нет.

1. Итог урока.

2. Дом.задание: § 21, подготовить сообщение о М.Фарадее, разгадать ребус.

«Электромагнитная индукция» курса «Физика» средней школы

Раздел «ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ» (7 ч.)

Урок № 1 .
ЯВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ.

МАГНИТНЫЙ ПОТОК.

ЦЕЛЬ: раскрыть сущность явления электромагнитной индукции.

ЗАДАЧИ ОБУЧЕНИЯ:

а) общеобразовательные – формирование понятий об явлении электромагнитной индукции и магнитном потоке;

б) развивающие – формирование умений обобщать и анализировать информацию, развитие логического мышления;

в) воспитательные – формирование научного мировоззрения учащихся в ходе знакомства с историй человеческого познания

УЧАЩИЕСЯ ДОЛЖНЫ ЗНАТЬ: понятия: магнитный поток, электромагнитная индукция; формулы: .

Ход урока.

1. Организационный момент.

2. Итоги и анализ самостоятельной работы.

3. Подготовка к восприятию нового материала.

При изучении электрических явлений вы узнали, что взаимо­действие неподвижных зарядов определяется законом Кулона. Кулоновское взаимодействие описывается на основе представлений о существовании вокруг каждого заряда электростатического поля, действующего на другие электрические заряды.

Между движущимися электрическими зарядами — электриче­скими токами, кроме кулоновских сил, действуют еще и магнитные силы. Магнитное взаимодействие описывается на основе представ­ления о магнитном поле, существующем вокруг движущихся элек­трических зарядов. В отличие от кулоновского поля, действующего как на движущиеся, так и на неподвижные электрические заряды, магнитное поле действует только на движущиеся заряды.

Электрические и магнитные поля порождаются одними и те­ми же источниками — электрическими зарядами. Поэтому можно предположить, что между этими полями существует определенная связь. Это предположение нашло экспериментальное подтверждение и 1831 г. в опытах выдающегося английского физика М. Фарадея, в которых он открыл явление электромагнитной индукции.

1. Краткий исторический очерк открытия явления электромагнитной индукции.

2. Значение данного явления в электроэнергетике.

Электроэнергию можно получить в результате разных процес­сов. В гальванических элементах — в результате химических реакций внутренняя энергия реагирующих веществ преобразуется в электри­ческую. В солнечных батареях в электрическую энергию преобразуется энергия излучения Солнца. Но мощность этих источников очень мала, а стоимость производимой на них электроэнергии в сот­ни раз выше стоимости энергии, вырабатываемой тепловыми двига­телями. И если бы источниками электроэнергии служили только гальванические элементы и солнечные батареи, то электроэнергию невозможно было бы использовать столь широко и в таких масшта­бах, которые характерны для современного общества. Однако к 70-м годам XIX в. в основных чертах уже был разработан генератор, пригодный для промышленного производства дешевой электроэнер­гии. С помощью этого генератора механическая энергия превраща­ется в электрическую. Явление электромагнитной индукции лежит в основе работы индукционных генераторов электрического тока, на которые приходится практически вся вырабатываемая в мире элек­троэнергия.

3. Жизнь и деятельность М. Фарадея (сообщение учащегося).

4. Изучение нового материала.

1. Демонстрация опытов по электромагнитной индукции, ана­лиз опытов.

2. Введение понятия магнитного потока. Связь магнитного потока с числом линий индукции. Единица магнитного потока.

5. Закрепление знаний, умений.
   Обсуждение вопросов:

1. Как изменится магнитный поток при включении (выключе­нии) тока в цепи; изменении силы тока реостатом?

2. Как изменится магнитный поток, пронизывающий непод­вижную катушку, соединенную с гальванометром, при введении в нее магнита? Сравните (на опыте) значения ЭДС индукции в этой катушке при быстром и медленном движении магнита.

3. Какова причина возникновения ЭДС в опытах, показанных на рисунке в учебнике?

6. Подведение итогов. Домашнее задание.

Выучить § 30, 31, решить задачу 1 (упр. 21)

Урок № 2 .

ЗАКОН ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ.

ЦЕЛЬ: разъяснить закон электромагнитной индукции, исходя из анализа энергетических процессов в цепи.

ЗАДАЧИ ОБУЧЕНИЯ:

а) общеобразовательные – формирование понятий о законе электромагнитной индукции;

б) развивающие – формирование умений обобщать и анализировать информацию, развитие логического мышления, пространственного воображения;

в) воспитательные – формирование научного мировоззрения учащихся в ходе знакомства с историй человеческого познания.

УЧАЩИЕСЯ ДОЛЖНЫ ЗНАТЬ: закон Фарадея, правило Ленца.

УЧАЩИЕСЯ ДОЛЖНЫ УМЕТЬ: определять магнитный поток, пронизывающий контур, решать задачи на применение правила Ленца, определение величины ЭДС индукции.

Организационный момент.

Проверка домашнего задания.

1. В чем состоит сущность явления электромагнитной индук­ции?

2. Укажите способы определения направления вектора маг­нитной индукции.

3. Дайте понятие магнитного потока и единицы измерения.

Изучение нового материала.

1. Вывод формулы закона электромагнитной индукции.

2. Опытная иллюстрация закона электромагнитной индукции.

3. Зависимость ЭДС индукции от числа витков.

4. Единицы магнитной индукции и магнитного потока.

При рассмотрении явления электромагнитной индукции мы не обращали особого внимания на направление индукционного тока в контуре. Остановимся теперь на этом вопросе. Опыт показывает, что направление индукционного тока в контуре зависит от того, возрастает или убывает магнитный поток, пронизывающий контур.

Исследовав в 1831 году все важнейшие стороны электромаг­нитной индукции, Фарадей установил несколько правил для определения направления индукционного тока в различных частных случа­ях, однако общее правило ему найти не удалось. Оно было установлено позднее, в 1834 году, петербургским академиком Э. X. Ленцем.

5. Разъяснение сущности правила Ленца с помощью катушки, магнита и гальванометра.

Решение задач.

1. Какой величины ЭДС индукции возбуждается в контуре, если в нем за 0,1 секунды магнитный поток изменяется на 0,05 Вб? (Ответ: 0,5 В.)

2. Соленоид содержит 100 витков проволоки. Найти ЭДС индукции, если в этом соленоиде за 5 мс магнитный поток равномерно изменился от 3 мВб до 1,5 мВб. (Ответ: 0,3В.)

3. В обмотке на стальном сердечнике с площадью поперечного течения 100 см² в течение 0,01 с возбуждается ЭДС индукции 150 В при изменении магнитной индукции от 0,3 до 1,3 Тл. Сколько вит­ков провода в данной обмотке? (Ответ: 150.)

4. Магнитный поток через контур проводника сопротивлением 3·10^-2 Ом за 2 с изменился на 1,2·10^-2 Вб. Какова сила тока, протекающего по проводнику, если изменение потока происходило рав­номерно? (Ответ: 0,2А)

5. В однородном магнитном поле находится плоский виток площадью 10 см², расположенный перпендикулярно линиям индук­ции. Найти скорость изменения магнитной индукции со временем, если сила тока, текущего по витку, 0,01 мА, а сопротивление витка – 10 Ом. (Ответ: 0,1 Тл/с)

Подведение итогов. Домашнее задание.

Выучить § 32, решить задачи 3, 4 (упр. 22).

Урок № 3 .

САМОИНДУКЦИЯ. ИНДУКТИВНОСТЬ.

ЦЕЛЬ: разъяснить сущность явления самоиндукции.

ЗАДАЧИ ОБУЧЕНИЯ:

а) общеобразовательные – формирование понятий о явлении самоиндукции, индуктивности;

б) развивающие – формирование умений логически связывать материал.

в) воспитательные – формирование научного мировоззрения учащихся в ходе знакомства с историй человеческого познания.

УЧАЩИЕСЯ ДОЛЖНЫ ЗНАТЬ: понятия: самоиндукция, ЭДС самоиндукции, индуктивность; формулы: , .

1. Организационный момент.

2. Проверка домашнего задания.

Фронтальный опрос:

1. Какие условия необходимы для существования явления электромагнитной индукции?

2. Какую величину называют ЭДС индукции?

3. Какова природа ЭДС индукции, возникающей в неподвижном контуре при изменении магнитного поля, в котором находится этот контур?

4. Как направлено по отношению к направлению тока вихревое электрическое поле в проводнике при увеличении и уменьшении силы тока?

5. Сформулируйте правило Ленца.

3. Изучение нового материала.

1. Самоиндукция — частный случай электромагнитной индукции.

Самоиндукцией называется явление возбуждения вихревого электрического поля в проводнике при изменении магнитного поля, созданного изменяющимся током в этом же проводнике (демонстра­ции опыта по рис. в учебнике).

Правило Ленца для явления самоиндукции:

2. Формула для подсчета ЭДС самоиндукции.

Понятие индуктивности, единицы ее измерения. Зависимость индуктивности катушки от ее геометрических размеров и на­личия железного сердечника.

Индуктивность — физическая величина, характеризующая свойство контуров с током и окружающей их среды накапливать магнитное поле (с его энергией и массой). , где – густота обмотки, т. е. число витков на единицу длины катушки; μ — магнитная проницаемость вещества, из которого изготовлен сердечник.

3. Учет самоиндукции в технике.

ЭДС самоиндукции при быстром изменении тока, например при обрыве цепи, может достигать очень больших значений, во много раз превышающих ЭДС самого источника, и вызывать нежелательные последствия, например пробой изоляции, что следует учитывать в электрических цепях, обладающих значительной индуктивностью.

Особенно сильный разряд может возникать при размыкании цепей, содержащих катушки со стальными сердечниками — электромагниты, двигатели, трансформаторы.

Яркий дуговой разряд возникает при нарушении контакта пантографа электрички, трамвая или при отрыве контактных штанг троллейбуса от токонесущего провода.

4. Подведение итогов. Домашнее задание.

Выучить § 33, решить задачи 3, 4 (упр. 23).

Урок № 4 .

ЭНЕРГИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

ЦЕЛЬ: вывести формулу для расчета энергии магнитного поля и разъяснить ее физический смысл.

ЗАДАЧИ ОБУЧЕНИЯ:

а) общеобразовательные – формирование понятий о энергии магнитного поля, электромагнитном поле;

б) развивающие – формирование умений обобщать и анализировать информацию, развитие логического мышления, пространственного воображения;

в) воспитательные – формирование научного мировоззрения учащихся в ходе знакомства с историй человеческого познания.

УЧАЩИЕСЯ ДОЛЖНЫ ЗНАТЬ: понятия: энергия магнитного поля, Электромагнитное поле; формулу:

1. Организационный момент..

2. Проверка знаний.

Фронтальный опрос:

1. В чем состоит сущность самоиндукции?

2. При каких условиях проявляется самоиндукция? Приведите примеры.

3. Что понимают под индуктивностью?

4. От каких факторов зависит индуктивность катушки?

5. Как следует понимать, что индуктивность катушки равна 5 Гн; индуктивность одной катушки больше другой?

3. Изучение нового материала.

1. Для получения формулы энергии магнитного поля провести сравнение между процессом установления в цепи электрического тока величиной I и процессом приобретения некоторым телом определенной скорости ν.

1. При замыкании цепи с катушкой ток, постепенно нарастая, через некоторое время приобретает определенное значение I.

2. Автомобиль, трогаясь с места, постепенно набирает скорость и через некоторое время приобретает некоторую скорость ν.

3. Для того чтобы ток в цепи с индуктивностью при ее замыкании достиг некоторого значения, необходимо совершить работу.

4. Для разгона автомобиля до некоторой скорости необходимо совершить работу.

5. Нарастание силы тока I тем медленнее, чем больше (при прочих равных условиях) индуктивность катушки L.

6. Нарастание скорости v тем медленнее, чем больше (при прочих равных условиях) масса автомобиля т.

Частичное сходство между процессом установления тока в катушке индуктивности и разгоном автомобиля позволяет предположить, что величина работы по установлению тока и величина работы по разгону автомобиля выражаются аналогичными соотношениями.

Механическая работа по разгону автомобиля равна . Соответствие между L и m, между I и ν позволяет записать как для работы по установлению тока в катушке. Формула подтверждается опытами и математическими расчетами.

2. Вывод формулы.

Рассмотрим случай, когда после отключения катушки от ис­точника сила тока в цепи убывает со временем по линейному закону. При таком условии ЭДС самоиндукции имеет постоянное значение, определяемое выражением , где ∆t – промежуток времени, в течение которого сила тока в цепи убывает от начального значения I до нуля.

Итак .

За время ∆t при линейном убывании силы тока по цепи проходит электрический заряд.

, поэтому работа электрического тока, совершаемая за счет энергии магнитного поля, равна

.

Отсюда следует, что энергия магнитного поля в катушке

4. Закрепление знаний, умений, навыков.

1. В цепь батареи аккумуляторов последовательно включены обмотка электромагнита и лампа накаливания. В то время, когда электромагнит притягивает к себе груз, накал нити лампы увеличивается. Объясните явление. (Во время перемещения груза часть энергии расходуется на совершение механической работы. Поэтому на накаливание нити лампы расходуется меньше энергии.)

2. Упр. 24 (1, 2).

5. Подведение итогов. Домашнее задание.

Выучить § 34, решить задачу 3 (упр. 24).

Урок № 5-6 .

РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ ПО ТЕМЕ

«ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ».

ЦЕЛЬ: повторить, углубить и систематизировать знания учащихся по теме «Электромагнитная индукция».

ЗАДАЧИ ОБУЧЕНИЯ:

а) общеобразовательные – углубление и закрепление знаний по теме « Электромагнитная индукция»;

б) развивающие – привитие учащимся умения самостоятельно мыслить и применять знания при решении физических задач;

в) воспитательные – воспитание у учащихся стремления достигать поставленной цели.

1. Организационный момент.

2. Повторение изученного материала.

Беседа по вопросам:

1. В чем состоит явление электромагнитной индукции и на каких опытах его можно наблюдать?

2. О чем свидетельствует появление электрического тока в замкнутом проводнике, не подключенном к источнику?

3. Как формулируется закон электромагнитной индукции? Как он записывается математически?

4. Как можно определить направление ЭДС индукции?

5. Что отличает вихревое электрическое поля от потенциального? В чем сходство?

6. В чем состоит явление самоиндукции? Как записывается формула для ЭДС самоиндукции?

7. Как формулируется правило Ленца для явления самоиндукции?

8. Чему равна энергия магнитного поля в катушке?

3. Решение задач.

1. Определите направление индукционного тока в следующем опыте. Ось постоянного прямого магнита расположена вдоль магнитного меридиана. Над магнитом параллельно ему подвешен пря­молинейный провод. Магнит быстро поворачивается на 90° северным полюсом на восток. (Ток в проводе будет направлен с юга на север.)

2. Сквозь отверстие катушки падает прямой магнит. С одинаковыми ли ускорениями он движется при замкнутой и разомкнутой обмотках катушки? Сопротивлением воздуха пренебречь. (Падение магнита при замкнутой обмотке будет происходить с ускорением меньшим, чем ускорение свободного падения.)

3. Определите направление индукционного тока в катушке при введении внутрь нее второй катушки, направление тока в которой указано.

4. В короткозамкнутую катушку один раз быстро, другой раз медленно вдвигают магнит:

А) Одинаковый ли заряд переносится при этом индукционным током?

Б) Одинаковую ли работу против электромагнитных сил coвершает сила руки, вдвигающей магнит?

(А) Одинаковый;

(Б) В первом случае больше, т. к. ЭДС индукции при этом больше.)

5. В каком случае ЭДС индукции в замкнутом проводнике будет большей: при изменении пронизывающего его магнитного потока от 10 Вб до нуля в течение 5 с или при его изменении от 1 Вб до нуля в течение 0,1 с? Во сколько раз?

6. Магнитный поток, пронизывающий катушку, изменяется со временем, как показано на рисунке. Начертить график изменения ЭДС индукции, наводимой в катушке. Каково максимальное значение ЭДС индукции, если в катушке 400 витков проволоки?

Ф(Вб)

1·10^-3

5·10^-4

0 0,1 0,2 0,3 t (c)

III. Самостоятельная работа по вариантам.

Вариант I

1. Рамка, содержащая 20 витков провода, находится в магнит­ном моле. Определить ЭДС индукции, возникающую в рамке при изменении магнитного потока в ней от 0,1 до 0,26 Вб за 0,16 с.

2. Проводник длиной 40 см находится в однородном магнит­ном моле с индукцией 0,8 Тл. Проводник пришел в движение перпендикулярно силовым линиям, когда по нему пропустили ток 5А. Определить работу магнитного поля, если проводник переместился на 20 см

3. На рисунке дан график изменения силы тока в катушке индуктивностью 12 Гн при размыкании цепи. Определить ЭДС самоиндукции.

4. Почему сильно нагреваются металлические детали, помещенные в переменное магнитное поле? Где это явление находит практическое применение?

Вариант П.

1. С какой скоростью надо перемещать проводник длиной 50 см в однородном магнитном поле с индукцией 0,4 Тл под углом 60° к силовым линиям, чтобы в проводнике возникла ЭДС, paвная 1 B?

2. Катушка сопротивлением 100 Ом, состоящая из 1000 bитков, площадью 5 см², внесена в однородное магнитное поле. В течение некоторого времени индукция магнитного поля уменьшилась от 0,8 до 0,3 Тл. Какой заряд индуцирован в проводнике за это время?

3. На рисунке дан график возрастания силы тока в катушке индук­тивностью 8 Гн при замыкании цепи. Определить ЭДС индукции, возникающей в катушке.

4. Одинаковую ли работу надо совершить для того, чтобы ввести магнит в катушку, когда ее обмотка замкнута и когда разомкнута?

4. Подведение итогов. Домашнее задание.

Подготовиться к контрольной работе.

Урок №7 .

ОБЯЗАТЕЛЬНАЯ КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА №1

«ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ».

ЦЕЛЬ: проверить знания учащихся и выяснить степень усвоения материала по разделу «Основы электродинамики».

ЗАДАЧИ ОБУЧЕНИЯ:

а) общеобразовательные – углубление и закрепление знаний учащихся по разделу «Основы электродинамики»;

б) развивающие – привитие учащимся умения применять знания при решении физических задач, развитие навыков самостоятельной работы;

в) воспитательные – воспитание у учащихся стремления всегда достигать поставленной цели.

Ход урока.

1. Организационный момент.

2. Выполнение контрольной работы по вариантам.

Обязательная контрольная работа №1 «Основы электродинамики».

Вариант 1.

1. На замкнутой траектории работа электростатического поля по переносу заряда всегда:

А) > 0 ; Б) < 0 ; В) = 0 ; Г) Однозначного ответа нет.

2. Сила, действующая на проводник с током со стороны магнитного поля, называется …

А) сила Ампера; В) сила Ньютона;

Б) сила Лоренца; Г) правильный ответ не дан.

3. Заряд на обкладках конденсатора равен 4 Кл. Определите напряжение между пластинами конденсатора, если его электроемкости 2 Ф.

А) 0,25 В; Б) 2 В; В) 0,5 В; Г) 4 В.

4. ЭДС источника тока равна 2 В. Определите силу тока в цепи, если внутреннее сопротивление источника 0,5 Ом, внешнее сопротивление цепи 4,5 Ом.

А) 0,4 А; Б) 10 А; В) 2,5 А; Г) 3А.

5. Как изменится сила кулоновского взаимодействия между двумя одинаковыми точечными зарядами, при уменьшении каждого в 2,5 раза?

А) уменьшится в 2,5 раза; Б) увеличится в 2,5 раза;

В) увеличится в 6,25 раза; Г) уменьшится в 6,25 раза.

6. Сила тока в катушке увеличилась в 2 раза. Магнитный поток через катушку :

А) увеличился в 2 раза; В) увеличился в 4 раза;

Б) уменьшился в 2 раза; Г) уменьшился в 4 раза.

7. В однородном магнитном поле, индукция которого 0,6 Тл, движется равномерно проводник с током 4 А. Длина проводника 20 см. Скорость движения проводника 20 и направлена перпендикулярно полю. Найти работу перемещения проводника за 10 с движения и мощность, необходимую для осуществления этого движения.

8. Определить среднее значение модуля напряженности поля в однородном проводнике длиной 2 м и сопротивлением 3 Ом при силе тока 8 А.

9. В однородном электрическом поле напряженностью 8*10³ начала движение частица с зарядом 10^-5 Кл и массой 10г. Какую скорость приобретает частица при прохождении расстояния 1 м?

Вариант 2.

1. По мере удаления от заряда напряженности поля, создаваемого им:

А) усиливается В) не изменяется.

Б) ослабевает Г) однозначного ответа нет.

2. Какова траектория движения протона, влетевшего в магнитное поле под углом 30º к вектору индукции магнитного поля?

А) прямая; Б) парабола; В) окружность; Г) спираль.

3. Электрический заряд на обкладках конденсатора 0,1 Кл. Напряжение между обкладками равно 10³ В. Чему равна электроемкость конденсатора?

А) 10⁴ Ф; Б) 200 мкФ; В) 100 мкФ; Г) 0 Ф.

4. Сила тока в цепи равна 0,4 А, внутреннее сопротивление источника 0,5 Ом, внешнее сопротивление цепи 4,5 Ом. Какова ЭДС источника тока?

А) 0,5 В; Б) 1 В; В) 1,5 В; Г) 2 В.

5. Как изменится сила взаимодействия двух точечных зарядов при увеличении расстояния между ними в 1,5 раза?

А) уменьшится в 1,5 раза В) уменьшится в 2,25 раза

Б) увеличится в 1,5 раза Г) увеличится в 2,25 раза.

6. При изменении силы тока в контуре поток самоиндукции пронизывающий площадь, ограниченную этим контуром, возрос в 4 раза. Во сколько раз конечное значение силы тока в контуре больше начального?

А) в 4 раза; Б) в 2 раза; В) в 16 раз; Г) в 8 раз.

7. В однородном магнитном поле, индукция которого равна 50 мТл, равномерно движется проводник со скоростью 0,1 . Ток в проводнике поддерживается постоянным и равным 2 А. Найдите работу по перемещению проводника за 20 с, если его длина 10 см.

А) 50 мкДж ; Б) 500 мкДж ; В) 5 мкДж ; Г) правильный ответ не дан .

8. Конденсатор емкостью 0,5 мкФ зарядили от источника напряжением 4000 В. Определить среднюю силу тока в соединительных проводах, если время заряда равно 0,1 с.

9. При прохождении электрона в электрическом поле, его скорость возросла от 0,8∙10⁷ до 2,4∙10⁷ . Чему равна разность потенциалов между начальной и конечной точками движения?

Вариант 3.

1. По мере удаления от равномерно заряженного шара напряженность поля, создаваемого им:

А) ослабевает; В) не изменяется;

Б) усиливается; Г) однозначного ответа нет.

2. Какова траектория движения протона, влетевшего в магнитное поле под углом 60º к вектору индукции магнитного поля?

А) окружность; Б) парабола; В) спираль; Г) прямая.

3. Сила, действующая в электрическом поле на заряд в 2·10^-5 Кл, равна 4 Н. Чему равна напряженность поля в данной точке?

А) 2·10⁵ ; Б) 8·10^-5 ; В) 8·10⁵ ; Г) 5·10^-6 .

4. Ток короткого замыкания источника 2А, ЭДС этого источника 4В. Внутреннее сопротивление источника равно

А) 4 Ом; Б) 2,5 Ом; В) 2 Ом; Г) 1 Ом.

5. Как изменится емкость конденсатора, если площадь его пластин увеличить в 2 раза?

А) увеличится в 4 раза; В) уменьшится в 2 раза;

Б) увеличится в 2 раза; Г) уменьшится в 4 раза.

6. Как изменится поток, пронизывающий площадь, ограниченную контуром, при увеличении силы тока в контуре на 30%?

А) увеличится в 1,3 раза; Б) уменьшится в 1,3 раза;

В) не изменится; Г) увеличится в 1,69 раз.

7. На соленоиде с сопротивлением 5 Ом и индуктивностью 25 мГн поддерживается постоянное напряжение. Определить это напряжение, если при размыкании цепи выделяется 1,25 Дж энергии.

8. К источнику с ЭДС 6 В и внутренним сопротивлением 1 Ом подключены три соединенных параллельно проводника с сопротивлением 9 Ом каждый. Найти силу тока в цепи.

9. Какую скорость приобрел электрон, пролетевший расстояние между точками поля с разностью потенциалов 3000 В? Начальная скорость электрона равна нулю.

Вариант 4.

1. По мере удаления от заряда электрическое поле, создаваемое им:

А) увеличивается В) не изменяется

Б) ослабевает Г) однозначного ответа нет.

2. Сила, действующая на движущийся заряд со стороны магнитного поля, называется:

А) сила Лоренца; Б) сила Ампера; В) сила Ньютона; Г) правильный ответ не дан.

3. Электрический заряд на обкладках конденсатора 10 Кл. Напряжение между обкладками равно 10⁵В. Чему равна электроемкость конденсатора?

А)10⁴ Ф; Б) 200 мкФ; В) 100 мкФ ; Г) 0 Ф.

4. За 2 мин через поперечное сечение проводника прошло 90 Кл электричества. Чему равна сила тока, идущего по проводнику?

А) 0,6 А; Б) 0,75 А; В) 2 А; Г) 2,4 А.

5. Как изменится сила кулоновского взаимодействия между двумя одинаковыми точечными зарядами при увеличении каждого из них в 2 раза?

А) увеличится в 2 раза В) увеличится в 4 раза

Б) уменьшится в 2 раза Г) уменьшится в 4 раза.

6. Во сколько раз возрастает энергия магнитного поля катушки с регулируемой индуктивностью при увеличении индуктивности на 50% при неизменной силе тока?

А) в 1,5 раза; Б) в 2,25 раза; Г) в 0,75 раза; Г) правильный ответ не дан.

7. Какой силы ток должен проходить по прямолинейному проводнику, помещенному в однородное магнитное поле перпендикулярно линиям индукции, чтобы он висел, не падая, если масса 1м его длины равна 3 кг, а индукция магнитного поля составляет 20 Тл?

8. Элемент с внутренним сопротивлением 4 Ом и ЭДС 12 В замкнут проводником с сопротивлением 8 Ом. Какое количество теплоты будет выделяться во внешней части цепи за 1 с?

9. В однородном электрическом поле напряженностью 2∙10³ начала движение частица с зарядом 10^-5 Кл и массой 1г. Какую скорость приобретет частица при прохождении расстояния 10 см?

№ задания	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Цена задания	1	1	4	4	6	6	8	8	10

Суммарный бал	1	2	6	10	16	22	30	38	43	48
Оценка	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10

3. Подведение итогов. Домашнее задание.

Повторить итоги раздала «Основы электродинамики».

Электромагнитная индукция

Цели:

• Образовательные

: обобщить и систематизировать знания учащихся о явлении электромагнитной индукции, его применении на практике.

Развивающие

: развивать интеллектуальные способности учащихся, уметь излагать в доступной научной форме свои мысли; уметь обобщать материал; развивать свой кругозор, формировать умения и навыки самостоятельно добывать знания, используя компьютерные технологии;

Воспитательные

: воспитывать умение преодолевать трудности, выслушивать оппонентов, отстаивать свою точку зрения, уважать окружающих, создавать условия для формирования информационной и коммуникативной культуры учащихся.

Оборудование: компьютер с мультимедийным проектором, модель поезда на магнитной подушке, модель генератора, выставка «Трансформаторы», компьютерные презентации учащихся, гальванометр, катушка, постоянный магнит, опыты на DVD дисках, аудиомагнитофон, стенгазета «Электромагнитная индукция в современной технике»

Программное обеспечение: приложения MS Power Point, MS Word; Открытая физика 1.1; измерительный комплекс по физике L-Micro.

Ход урока

I. Организационный этап

II. Актуализация знаний. (Фронтальная беседа) Учитель задает вопросы, ученики дают ответы, используя слайды презентации.

– Кто и когда открыл явление ЭМИ?

– В чем заключается явление ЭМИ?

– Что называется магнитным потоком? Какой формулой выражается?

– Правило Ленца; применение правила Ленца для определения индукционного тока;

– Закон ЭМИ;

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

– Что называют самоиндукцией?

– Что называют индуктивностью проводника?

– От каких величин зависит индуктивность?

– Что принимают за единицу индуктивности в СИ?

– Чему равна ЭДС самоиндукции?

– Чему равна энергия магнитного поля тока?

– В чем состояла гипотеза Максвелла?

III. Защита проектов учащихся.

Учитель: Открытие явлений электромагнитной индукции и самоиндукции сыграло огромную роль в развитии теории электромагнетизма и в практической деятельности человеческого общества. Если Х. Эрстед показал связь электрических явлений с магнитными, то М. Фарадей установил связь магнитных явлений с электрическими. Это привело к созданию общего учения об электромагнитных явлениях, в котором все электрические и магнитные явления рассматриваются с единой точки зрения. Благодаря этим открытиям люди создали множество приборов.

А начиналось все с опытов английского ученого Майкла Фарадея.

Демонстрационный опыт. (4 опыта М.Фарадея)

Демонстрация опытов Майкла Фарадея на компьютере с помощью программы «Открытая физика»

Учитель. Явление электромагнитной индукции лежит в основе действия разнообразных генераторов тока, трансформаторов, записи и воспроизведения информации, в детекторах и т.д., без которых немыслима современная наука и техника.

Сегодня на уроке мы рассмотрим некоторые примеры использования электромагнитной индукции в современном мире.

Эпиграфом к нашему уроку будут слова «Познай самого себя». Как вы думаете, почему эти слова подходят к нашей деятельности на этом уроке? (Так как к данному уроку были выполнены электронные презентации, самостоятельно подбирали материал, готовили защиту проектов).

Мы с вами в течение некоторого времени занимались над единым проектом «Электромагнитная индукция». Сегодня пришло время для защиты вашей творческой работы. Ваша задача внимательно прослушать выступления своих одноклассников и дать оценку их работам.

Защита учащимися электронных презентаций.

(В конце выступления выступающий должен обязательно сделать вывод)

1) Первооткрыватели явления электромагнитной индукции. (Приложение 1)

(Презентация об ученых, которые внесли большой вклад в развитие электромагнитных явлений: М.Фарадей, Э.Х.Ленц, Д.Вебер, Д.Генри, Н.Тесла, Д.К.Максвелл,,)

2) Запись и воспроизведение информации. Микрофоны. (Приложение 2)

Явление электромагнитной индукции позволяет считывать видео– и аудиоинформацию с магнитных лент. Магнитная лента – тонкая пластмассовая лента, покрытая слоем ферромагнитного порошка. При записи информации на магнитную ленту сигнал подается на записывающую головку (ферромагнетик С-образной формы с зазором).

Магнитное поле, возникающее в зазоре, ориентирует беспорядочно расположенные домены на движущейся магнитной ленте. При воспроизведении записи остаточная индукция доменов, движущихся вместе с лентой, создает магнитное поле в зазоре головки воспроизведения. Это поле в результате электромагнитной индукции вызывает ЭДС индукции в выходной обмотке головки, подобную записанному сигналу.

Демонстрационный опыт.

Запись и воспроизведение звука на магнитную ленту и на жесткий диск.

3) Детектор металла. (Металлоискатели) (Приложение 3)

Для обнаружения металлических предметов применяются специальные детекторы.

В аэропортах детектор металла фиксирует поля индукционных токов в металлических предметах. Магнитное поле В₀, создаваемое током I₀передающей катушки, индуцирует в металлических предметах токи, препятствующие (по правилу Ленца) изменению магнитного потока. В свою очередь, магнитное поле В’ этих токов индуцирует в катушке-приемнике ток I, запускающий сигнал тревоги.

4) Поезда на магнитной подушке. (Приложение 4)

В поезде на магнитной подушке сверхпроводящие катушки с током, размещенные на дне вагона, индуцируют ток в алюминиевых катушках на полотне дороги.

Отталкивание сверхпроводящих катушек и катушек на полотне дороги приподнимает вагон над землей. Движение поезда вызывается взаимодействием сверхпроводящих катушек, расположенных вдоль стенок вагонов, и катушек внутри ограничительных бортиков полотна дороги.

Демонстрационный опыт. «Поезд на магнитной подушке» (Используется набор из механики)

Левитация. В сверхпроводнике индукционный ток существует достаточно долго, поэтому в результате отталкивания токов в сверхпроводнике и в постоянном магните высокотемпературный проводник зависает над магнитом.

5) Трансформаторы. (Приложение 5)

История изобретения трансформатора;

Устройство трансформатора и его работа;

Работа трансформатора на холостом ходу;

Работа трансформатора с нагрузкой;

Использование трансформатора при передаче электрической энергии.

Вопрос: Почему гудят трансформаторы?

6) Генераторы электрического тока. (Приложение 6)

7) Демонстрация работы электрического спидометра

– Объясните принцип работы спидометра.

8) Использование измерительного комплекса по физике L-Micro

Демонстрационный опыт. Определение магнитной индукции катушки с током с помощью измерительного комплекса L-Micro.

IV. Подведение итогов урока.

Сегодня мы с вами повторили явление электромагнитной индукции и выяснили, где оно находит применение в наши дни. Ваша работа проделана не впустую, так как все ученики ознакомились с данными проектами. И, если вы позволите, то эти проекты будут использованы учителями и учениками на других уроках.

На перемене ознакомьтесь с газетой «Электромагнитная индукция в современной технике», которую выпустили учащиеся вашего класса, а также рассмотрите выставку «Трансформаторы».

Рефлексия:

– Что нового узнали на уроке?

– Чему научились при подготовке к уроку?

– Какие трудности возникли?

– Есть удовлетворение от полученных результатов?

– Актуальна ли данная тема в наши дни?

V. Оценивание учащихся.

VI. Домашнее задание.

Повторить § 8-17, выполнить домашнюю к/р, приготовить шпаргалки по теме «Электромагнитная индукция», подготовка к физическому диктанту.

Индукция это в физике определение

Явление электромагнитной индукции

Электромагнитная индукция – явление возникновения тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего его.

Явление электромагнитной индукции было открыто М. Фарадеем.

• На одну непроводящую основу были намотаны две катушки: витки первой катушки были расположены между витками второй. Витки одной катушки были замкнуты на гальванометр, а второй – подключены к источнику тока. При замыкании ключа и протекании тока по второй катушке в первой возникал импульс тока. При размыкании ключа также наблюдался импульс тока, но ток через гальванометр тек в противоположном направлении.
• Первая катушка была подключена к источнику тока, вторая, подключенная к гальванометру, перемещалась относительно нее. При приближении или удалении катушки фиксировался ток.
• Катушка замкнута на гальванометр, а магнит движется – вдвигается (выдвигается) – относительно катушки.

Опыты показали, что индукционный ток возникает только при изменении линий магнитной индукции. Направление тока будет различно при увеличении числа линий и при их уменьшении.

Сила индукционного тока зависит от скорости изменения магнитного потока. Может изменяться само поле, или контур может перемещаться в неоднородном магнитном поле.

Объяснения возникновения индукционного тока

Ток в цепи может существовать, когда на свободные заряды действуют сторонние силы. Работа этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль замкнутого контура равна ЭДС. Значит, при изменении числа магнитных линий через поверхность, ограниченную контуром, в нем появляется ЭДС, которую называют ЭДС индукции.

Электроны в неподвижном проводнике могут приводиться в движение только электрическим полем. Это электрическое поле порождается изменяющимся во времени магнитным полем. Его называют вихревым электрическим полем. Представление о вихревом электрическом поле было введено в физику великим английским физиком Дж. Максвеллом в 1861 году.

Свойства вихревого электрического поля:

• источник – переменное магнитное поле;
• обнаруживается по действию на заряд;
• не является потенциальным;
• линии поля замкнутые.

Работа этого поля при перемещении единичного положительного заряда по замкнутому контуру равна ЭДС индукции в неподвижном проводнике.

Магнитный поток

Магнитным потоком через площадь ​ ( S ) ​ контура называют скалярную физическую величину, равную произведению модуля вектора магнитной индукции ​ ( B ) ​, площади поверхности ​ ( S ) ​, пронизываемой данным потоком, и косинуса угла ​ ( alpha ) ​ между направлением вектора магнитной индукции и вектора нормали (перпендикуляра к плоскости данной поверхности):

Обозначение – ​ ( Phi ) ​, единица измерения в СИ – вебер (Вб).

Магнитный поток в 1 вебер создается однородным магнитным полем с индукцией 1 Тл через поверхность площадью 1 м 2 , расположенную перпендикулярно вектору магнитной индукции:

Магнитный поток можно наглядно представить как величину, пропорциональную числу магнитных линий, проходящих через данную площадь.

В зависимости от угла ​ ( alpha ) ​ магнитный поток может быть положительным ( ( alpha ) ( alpha ) > 90°). Если ( alpha ) = 90°, то магнитный поток равен 0.

Изменить магнитный поток можно меняя площадь контура, модуль индукции поля или расположение контура в магнитном поле (поворачивая его).

В случае неоднородного магнитного поля и неплоского контура магнитный поток находят как сумму магнитных потоков, пронизывающих площадь каждого из участков, на которые можно разбить данную поверхность.

Закон электромагнитной индукции Фарадея

Закон электромагнитной индукции (закон Фарадея):

ЭДС индукции в замкнутом контуре равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром:

Знак «–» в формуле позволяет учесть направление индукционного тока. Индукционный ток в замкнутом контуре имеет всегда такое направление, чтобы магнитный поток поля, созданного этим током сквозь поверхность, ограниченную контуром, уменьшал бы те изменения поля, которые вызвали появление индукционного тока.

Если контур состоит из ​ ( N ) ​ витков, то ЭДС индукции:

Сила индукционного тока в замкнутом проводящем контуре с сопротивлением ​ ( R ) ​:

При движении проводника длиной ​ ( l ) ​ со скоростью ​ ( v ) ​ в постоянном однородном магнитном поле с индукцией ​ ( vec ) ​ ЭДС электромагнитной индукции равна:

где ​ ( alpha ) ​ – угол между векторами ​ ( vec ) ​ и ( vec ) .

Возникновение ЭДС индукции в движущемся в магнитном поле проводнике объясняется действием силы Лоренца на свободные заряды в движущихся проводниках. Сила Лоренца играет в этом случае роль сторонней силы.

Движущийся в магнитном поле проводник, по которому протекает индукционный ток, испытывает магнитное торможение. Полная работа силы Лоренца равна нулю.

Количество теплоты в контуре выделяется либо за счет работы внешней силы, которая поддерживает скорость проводника неизменной, либо за счет уменьшения кинетической энергии проводника.

Важно!
Изменение магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур, может происходить по двум причинам:

• магнитный поток изменяется вследствие перемещения контура или его частей в постоянном во времени магнитном поле. Это случай, когда проводники, а вместе с ними и свободные носители заряда, движутся в магнитном поле;
• вторая причина изменения магнитного потока, пронизывающего контур, – изменение во времени магнитного поля при неподвижном контуре. В этом случае возникновение ЭДС индукции уже нельзя объяснить действием силы Лоренца. Явление электромагнитной индукции в неподвижных проводниках, возникающее при изменении окружающего магнитного поля, также описывается формулой Фарадея.

Таким образом, явления индукции в движущихся и неподвижных проводниках протекают одинаково, но физическая причина возникновения индукционного тока оказывается в этих двух случаях различной:

• в случае движущихся проводников ЭДС индукции обусловлена силой Лоренца;
• в случае неподвижных проводников ЭДС индукции является следствием действия на свободные заряды вихревого электрического поля, возникающего при изменении магнитного поля.

Правило Ленца

Направление индукционного тока определяется по правилу Ленца: индукционный ток, возбуждаемый в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, всегда направлен так, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызывающего индукционный ток.

Алгоритм решения задач с использованием правила Ленца:

• определить направление линий магнитной индукции внешнего магнитного поля;
• выяснить, как изменяется магнитный поток;
• определить направление линий магнитной индукции магнитного поля индукционного тока: если магнитный поток уменьшается, то они сонаправлены с линиями внешнего магнитного поля; если магнитный поток увеличивается, – противоположно направлению линий магнитной индукции внешнего поля;
• по правилу буравчика, зная направление линий индукции магнитного поля индукционного тока, определить направление индукционного тока.

Правило Ленца имеет глубокий физический смысл – оно выражает закон сохранения энергии.

Самоиндукция

Самоиндукция – это явление возникновения ЭДС индукции в проводнике в результате изменения тока в нем.

При изменении силы тока в катушке происходит изменение магнитного потока, создаваемого этим током. Изменение магнитного потока, пронизывающего катушку, должно вызывать появление ЭДС индукции в катушке.

В соответствии с правилом Ленца ЭДС самоиндукции препятствует нарастанию силы тока при включении и убыванию силы тока при выключении цепи.

Это приводит к тому, что при замыкании цепи, в которой есть источник тока с постоянной ЭДС, сила тока устанавливается через некоторое время.

При отключении источника ток также не прекращается мгновенно. Возникающая при этом ЭДС самоиндукции может превышать ЭДС источника.

Явление самоиндукции можно наблюдать, собрав электрическую цепь из катушки с большой индуктивностью, резистора, двух одинаковых ламп накаливания и источника тока. Резистор должен иметь такое же электрическое сопротивление, как и провод катушки.

Опыт показывает, что при замыкании цепи электрическая лампа, включенная последовательно с катушкой, загорается несколько позже, чем лампа, включенная последовательно с резистором. Нарастанию тока в цепи катушки при замыкании препятствует ЭДС самоиндукции, возникающая при возрастании магнитного потока в катушке.

При отключении источника тока вспыхивают обе лампы. В этом случае ток в цепи поддерживается ЭДС самоиндукции, возникающей при убывании магнитного потока в катушке.

ЭДС самоиндукции ​ ( varepsilon_ ) ​, возникающая в катушке с индуктивностью ​ ( L ) ​, по закону электромагнитной индукции равна:

ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна индуктивности катушки и скорости изменения силы тока в катушке.

Индуктивность

Электрический ток, проходящий по проводнику, создает вокруг него магнитное поле. Магнитный поток ​ ( Phi ) ​ через контур из этого проводника пропорционален модулю индукции ​ ( vec ) ​ магнитного поля внутри контура, а индукция магнитного поля, в свою очередь, пропорциональна силе тока в проводнике.

Следовательно, магнитный поток через контур прямо пропорционален силе тока в контуре:

Индуктивность – коэффициент пропорциональности ​ ( L ) ​ между силой тока ​ ( I ) ​ в контуре и магнитным потоком ​ ( Phi ) ​, создаваемым этим током:

Индуктивность зависит от размеров и формы проводника, от магнитных свойств среды, в которой находится проводник.

Единица индуктивности в СИ – генри (Гн). Индуктивность контура равна 1 генри, если при силе постоянного тока 1 ампер магнитный поток через контур равен 1 вебер:

Можно дать второе определение единицы индуктивности: элемент электрической цепи обладает индуктивностью в 1 Гн, если при равномерном изменении силы тока в цепи на 1 ампер за 1 с в нем возникает ЭДС самоиндукции 1 вольт.

Энергия магнитного поля

При отключении катушки индуктивности от источника тока лампа накаливания, включенная параллельно катушке, дает кратковременную вспышку. Ток в цепи возникает под действием ЭДС самоиндукции.

Источником энергии, выделяющейся при этом в электрической цепи, является магнитное поле катушки.

Для создания тока в контуре с индуктивностью необходимо совершить работу на преодоление ЭДС самоиндукции. Энергия магнитного поля тока вычисляется по формуле:

Основные формулы раздела «Электромагнитная индукция»

Алгоритм решения задач по теме «Электромагнитная индукция»:

1. Внимательно прочитать условие задачи. Установить причины изменения магнитного потока, пронизывающего контур.

2. Записать формулу:

• закона электромагнитной индукции;
• ЭДС индукции в движущемся проводнике, если в задаче рассматривается поступательно движущийся проводник; если в задаче рассматривается электрическая цепь, содержащая источник тока, и возникающая на одном из участков ЭДС индукции, вызванная движением проводника в магнитном поле, то сначала нужно определить величину и направление ЭДС индукции. После этого задача решается по аналогии с задачами на расчет цепи постоянного тока с несколькими источниками.

3. Записать выражение для изменения магнитного потока и подставить в формулу закона электромагнитной индукции.

4. Записать математически все дополнительные условия (чаще всего это формулы закона Ома для полной цепи, силы Ампера или силы Лоренца, формулы кинематики и динамики).

5. Решить полученную систему уравнений относительно искомой величины.

Всем доброго времени суток. В прошлых статьях я рассказал о магнитном поле в веществе, а так же магнитных цепях и методах их расчёта. Данная статья посвящена такому явлению, как ЭДС индукции, в каких случаях она возникает, а так же затрону понятие индуктивности, как основного параметра характеризующего возникновение магнитного потока при возникновении электрического поля в проводнике.

Как возникает ЭДС индукции и индукционный ток?

Как я говорил в предыдущих статьях вокруг проводника, по которому протекает электрический ток, возникает электромагнитное поле. Данное магнитное поле я рассмотрел здесь и здесь. Однако существует и обратное явление, которое называется электромагнитная индукция. Данное явление открыл английский физик М. Фарадей.

Для рассмотрения данного явления рассмотрим следующий рисунок

Рисунок, иллюстрирующий электромагнитную индукцию.

На данном рисунке показана рамка из проводника, помещённая в электрическое поле с индукцией В. Если данную рамку двигать вверх-вниз по направлению магнитных силовых линий или влево – вправо перпендикулярно силовым линиям, то магнитный поток Φ пронизывающий рамку буден практически постоянным. Если же вращать рамку вокруг оси О, то за некоторый промежуток времени ∆t магнитный поток изменится на некоторую величину ∆Φ и в результате в рамке появится ЭДС индукции Е_i и потечёт ток I, называемым индукционным током.

Чему равно ЭДС индукции?

Для определения величины возникающей ЭДС рассмотрим контур помещенный в однородное магнитное поле с индукцией В, по данному контуру свободно может перемещаться проводник длиной l.

Возникновение ЭДС индукции в прямолинейном проводнике.

Под действием силы F проводник начинает двигаться со скоростью v. За некоторое время ∆t проводник пройдёт путь db. Таким образом, затрачиваемая работа на перемещение проводника составит

Так как проводник состоит из заряженных частиц – электронов и протонов, то они также движутся вместе с проводником. Как известно на движущуюся заряженную частицу действует сила Лоренца, которая перпендикулярна к направлению движения частицы и к вектору магнитной индукции В, то есть электроны начинают двигаться вдоль проводника приводя к возникновению электрического тока в нём.

Однако на проводник с током в магнитном поле действует некоторая сила F_т, которая в соответствии с правилом левой руки будет противоположна действию силы F, за счёт которой проводник движется. Так как проводник движется равномерно, то есть с постоянной скоростью, то силы F_т и F равны по абсолютному значению

где В – индукция магнитного поля,

I – сила тока в проводника, возникающая по действием ЭДС индукции,

l – длина проводника.

Так как путь db пройденный проводником зависит от скорости v и времени t, то работа, затрачиваемая на перемещения проводника, в магнитном поле составит

При перемещении проводника в магнитном поле практически вся затрачиваемая на эту работу механическая энергия переходит в электрическую энергию, то есть

Таким образом, преобразовав последнее выражение, получим значение ЭДС индукции при движении прямолинейного проводника в магнитном поле

где В – индукция магнитного поля,

l – длина проводника,

v – скорость перемещения проводника.

Данное выражение соответствует движению проводника перпендикулярно линиям магнитной индукции. Если происходит движение под некоторым углом к линиям магнитной индукции, то выражение приобретает вид

На практике достаточно трудно посчитать скорость перемещения проводника, поэтому преобразуем выражение к следующему виду

где dS – площадка, которую пересекает проводник при своём движении,

dΦ – магнитный поток пронизывающий площадку dS.

Таким образом, ЭДС индукции равна скорости изменения магнитного потока, который пронизывает контур.

Для обозначения направления движения тока в контуре вводят знак «–», который указывает, что ток в контуре направлен против положительного обхода контура. Таким образом

Зачастую в магнитном поле движется контур, состоящий из множества витков провода, поэтому ЭДС индукции будет иметь вид

где w – количество витков в контуре,

dΨ = wdΦ – элементарное потокосцепление.

Перефразируя предыдущее определение, ЭДС индукции в контуре равна скорости изменения потокосцепления этого контура.

Что такое ЭДС самоидукции? Индуктивность

Как известно вокруг проводника с током существует магнитное поле. Так как индукция магнитного поля пропорциональна силе тока протекающего через проводник, а магнитный поток пропорционален магнитной индукции, следовательно, магнитный поток пропорционален силе тока, протекающей через проводник.

Таким образом, при изменении силы тока происходит изменение магнитного потока (или потокосцепления). Однако в соответствие с законом электромагнитной индукции, изменение потокосцепления приводит к возникновению в проводнике ЭДС индукции.

Данное явление (возникновение ЭДС) в проводнике при изменении проходящего по нему тока называется самоиндукцией. Возникающая вследствие самоиндукции ЭДС называется ЭДС самоиндукции Е_L, которая равна

где dΨ_L – изменение потокосцепления.

Следовательно между электрическим током в проводнике и потокосцеплением, возникающего вокруг проводника магнитного поля существует некоторый коэффициент пропорциональности связывающий их. Таким коэффициентом является индуктивность – обозначается L (имеет старое название коэффициент самоиндукции)

Величина индуктивности характеризует способность электрической цепи создавать потокосцепление (магнитный поток) при протекании по ней электрического тока. Единицей индуктивности является Генри (обозначается Гн)

Таким образом, индуктивность зависит от геометрических размеров проводника с током и от магнитных свойств магнитной цепи, через которую замыкается магнитный поток, создаваемый проводником с током.

В следующей статье я расскажу, как рассчитать индуктивность различных по форме проводников с током.

Что такое взаимная индукция? Взаимная индуктивность

Для разъяснения понятия взаимной индукции рассмотрим две катушки К1 и К2 расположенные близко друг от друга

Взаимная индукция двух катушек расположенных рядом.

Если по одной из катушек пропускать электрический ток i1, то вокруг данной катушки возникнет магнитное поле с потоком Φ1, часть магнитных силовых линий которого будет пересекать и вторую катушку, вокруг которой образуется магнитный поток Φ12. Таким образом, при изменении тока i1в первой катушке будет изменяться магнитный поток Φ1, а, следовательно, и магнитный поток Φ12, пересекающий вторую катушку, что непременно приведёт к изменению электрического тока во второй катушке и соответственно возникновению ЭДС.

Таким образом, возникновение ЭДС в контуре под действием изменяющегося тока в близкорасположенном соседней катушке, имеет название взаимной индукции.

Как было сказано выше, явление самоиндукции в количественной форме выражается индуктивностью L, аналогично и взаимная индукция определяется физической величиной называемой взаимной индуктивностью М (имеет размерность Генри – «Гн»). Данная величина определяется отношением потокосцепления во вторичной катушке Ψ₁₂ к току в первичной катушке i₁

Однако, определить взаимную индукцию можно и обратным способом, то есть пропуская ток i₂ через вторичную катушку. В этом случае будет создаваться магнитный поток Φ2, часть которого Φ21 будет пронизывать первичную катушку, тогда взаимная индукция будет определяться следующим выражением

Так же как и в случае с самоиндукцией, ЭДС взаимной индукции во вторичной катушке будет зависеть от скорости изменения магнитного потока или потокосцепления

Взаимная индуктивность М имеет зависимость от индуктивности двух катушек и определяется согласно следующему выражению

где k – коэффициент связи, зависящий от степени индуктивной связи между катушками;

L₁ – индуктивность первой катушки;

L₂ – индуктивность второй катушки.

Коэффициент индуктивной связи k определяется следующим выражением

Из данного выражения видно, что коэффициент связи всегда будет меньше единицы, так как Φ₁₂

Магнитное взаимодействие движущихся электрических зарядов согласно представлениям теории поля объясняется следующим образом: всякий движущийся электрический заряд создает в окружающем пространстве магнитное поле, способное действовать на другие движущиеся электрические заряды.

В — физическая величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля. Она называется магнитной индукцией (или индукцией магнитного поля).

Магнитная индукция — векторная величина. Модуль вектора магнитной индукции равен отношению максимального значения силы Ампера, действующей на прямой проводник с током, к силе тока в проводнике и его длине:

Единица магнитной индукции. В Международной системе единиц за единицу магнитной индукции принята индукция такого магнитного поля, в котором на каждый метр длины проводника при силе тока 1 А действует максимальная сила Ампера 1 Н. Эта единица называется тесла (сокращенно: Тл), в честь выдающегося югославского физика Н. Тесла:

Движение проводника с током в магнитном поле показывает, что магнитное поле действует на движущиеся электрические заряды. На проводник действует сила Ампера F_А = IBlsin a , а сила Лоренца действует на движущийся заряд:

где a — угол между векторами B и v .

Движение заряженных частиц в магнитном поле. В однородном магнитном поле на заряженную частицу, движущуюся со скоростью перпендикулярно линиям индукции магнитного поля, действует сила_м , постоянная по модулю и направленная перпендикулярно вектору скорости.Под действием магнитной силы частица приобретает ускорение, модуль которого равен:

В однородном магнитном поле эта частица движется по окружности. Радиус кривизны траектории, по которой движется частица, определяется из условияоткуда следует,

Радиус кривизны траектории является величиной постоянной, поскольку сила, перпендикулярная вектору скорости, меняется только ее направление, но не модуль. А это и означает, что данная траектория является окружностью.

Период обращения частицы в однородном магнитном поле равен:

Последнее выражение показывает, что период обращения частицы в однородном магнитном поле не зависит от скорости и радиуса траектории ее движения.

Если напряженность электрического поля равна нулю, то сила Лоренца _л равна магнитной силе _м :

Явление электромагнитной индукции открыл Фарадей, который установил, что в замкнутом проводящем контуре возникает электрический ток при любом изменении магнитного поля, пронизывающего контур.

Магнитный поток Ф (поток магнитной индукции) через поверхность площадью S — величина, равная произведению модуля вектора магнитной индукции на площадь S и косинус угла а между вектором и нормалью к поверхности:

Ф=BScos

В СИ единица магнитного потока 1 Вебер (Вб) — магнитный поток через поверхность площадью 1 м 2 , расположенную перпендикулярно направлению однородного магнитного поля, индукция которого равна 1 Тл:

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

Возникающий в замкнутом контуре, индукционный ток имеет такое направление, что своим магнитным полем противодействует тому изменению магнитного потока, которым он вызван (правило Ленца).

ЗАКОН ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ

Опыты Фарадея показали, что сила индукционного тока I_i в проводящем контуре прямо пропорциональна скорости изменения числа линий магнитной индукции , пронизывающих поверхность, ограниченную этим контуром.

Поэтому сила индукционного тока пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром:

Известно, что если в цепи появился ток, это значит, что на свободные заряды проводника действуют сторонние силы. Работа этих сил по перемещению единичного заряда вдоль замкнутого контура называется электродвижущей силой (ЭДС). Найдем ЭДС индукции ε_i.

По закону Ома для замкнутой цепи

Так как R не зависит от , то

ЭДС индукции совпадает по направлению с индукционным током, а этот ток в соответствии с правилом Ленца направлен так, что созданный им магнитный поток противодействует изменению внешнего магнитного потока.

Закон электромагнитной индукции

ЭДС индукции в замкнутом контуре равна взятой с противоположным знаком скорости изменения магнитного потока, пронизывающего контур:

Опыт показывает, что магнитный поток Ф , связанный с контуром, прямо пропорционален силе тока в этом контуре:

Индуктивность контура L — коэффициент пропорциональности между проходящим по контуру током и созданным им магнитным потоком.

Индуктивность проводника зависит от его формы, размеров и свойств окружающей среды.

Самоиндукция — явление возникновения ЭДС индукции в контуре при изменении магнитного потока, вызванном изменением тока, проходящего через сам контур.

Самоиндукция — частный случай электромагнитной индукции.

Индуктивность — величина, численно равная ЭДС самоиндукции, возникающей в контуре при изменении силы тока в нем на единицу за единицу времени. В СИ за единицу индуктивности принимают индуктивность такого проводника, в котором при изменении силы тока на 1 А за 1 с возникает ЭДС самоиндукции 1 В. Эта единица называется генри (Гн):

ЭНЕРГИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

Явление самоиндукции аналогично явлению инерции. Индуктивность при изменении тока играет ту же роль, что и масса при изменении скорости тела. Аналогом скорости является сила тока.

Значит энергию магнитного поля тока можно считать величиной, подобной кинетической энергии тела :

Предположим, что после отключения катушки от источника,ток в цепи убывает со временем по линейному закону.

ЭДС самоиндукции имеет в этом случае постоянное значение:

где I — начальное значение тока, t — промежуток времени, за который сила тока убывает от I до 0.

За время t в цепи проходит электрический заряд q = I_cpt . Так как I_cp = (I + 0)/2 = I/2 , то q=It/2 . Поэтому работа электрического тока:

Эта работа совершается за счет энергии магнитного поля катушки. Таким образом, снова получаем:

Пример. Определите энергию магнитного поля катушки, в которой при токе 7,5 А магнитный поток равен 2,3*10 -3 Вб. Как изменится энергия поля, если сила тока уменьшиться вдвое?

Энергия магнитного поля катушки W ₁ = LI ₁ 2 /2. По определению, индуктивность катушки L = Ф/I ₁. Следовательно,

Ответ: энергия поля равна 8,6 Дж; при уменьшении тока вдвое она уменьшится в 4 раза.

готовим на трансформаторе или еще раз о пользе электромагнитной индукции

Можно ли нагреть наплитную посуду, не тратя при этом энергию на нагрев плиты и пространства кухни? Можно ли дотронуться рукой до конфорки с которой только что сняли кастрюлю с кипящей водой? 

Можно. Если Вы используете индукционную плиту. 

Чтобы разобраться, в чем же состоит принцип работы этих плит, обратимся к учебнику физики за 11 класс. 

Явление электромагнитной индукции открыл Майкл Фарадей в 1831 году. В основе его опытов лежала идея о том, что если вокруг проводника с током возникает магнитное поле, то должно существовать и обратное явление, а именно возникновение электрического тока в замкнутом проводнике под действием магнитного поля. 

Это великое открытие широко используется в наши дни, например, а трансформаторах, десятки которых используются в каждом доме. В конце же 20 века это открытие нашло свое применение на кухне — были созданы индукционные плиты. 

Индукционная конфорка это тоже трансформатор, первичной обмоткой которого служит индукционная катушка, которая располагается под стеклокерамической поверхностью плиты. Вторичной обмоткой служит наша наплитная посуда. На ее дно наводятся токи индукции, которые и нагревают ее. 

Передачи энергии от от нагревающего элемента к поверхности конфорки, а от нее через дно посуды к готовящимся продуктам, как в традиционной плите, не происходит. А следовательно нет и потерь тепловой энергии. 

Для сравнения: КПД электрической плиты 50%, газовой 60%, а индукционной 90%. 

— низкие энергозатраты; 

— высокая скорость приготовления блюд; 

— безопасность персонала; 

— с такой плитой невозможно обжечься, поскольку поверхность плиты не нагревается. 

Таким образом, тепло генерируется только если на конфорке имеется посуда. Поэтому «умная» плита может определять, стоит ли на ней посуда и автоматически отключаться в случае ее отсутствия, экономя тем самым электроэнергию. 

Ложка дегтя. 

Такая плита обладает одним единственным недостатком, с ее помощью нельзя готовить, например, на стеклянной или алюминиевой посуды. Посуда для нее должна обладать ферромагнитными свойствами. А говоря проще — подойдет любая посуда, которая притягивает магнит. 

Еще совсем недавно недостатком была и относительно высокая цена индукционных плит. Теперь же, когда многие производители, в том числе и российские, освоили их выпуск, на рынке предлагается большое разнообразие моделей индукционных плит по вполне доступным ценам.

Учебное пособие по физике: индукционная зарядка

В предыдущем разделе Урока 2 обсуждался процесс зарядки объекта трением или трением. Заряд трением — очень распространенный метод зарядки объекта. Однако это не единственный процесс, при котором предметы заряжаются. В этом разделе Урока 2 будет обсуждаться индукционный метод зарядки . Индукционная зарядка — это метод, используемый для зарядки объекта без фактического касания объекта каким-либо другим заряженным объектом.Понимание индукционной зарядки требует понимания природы проводника и понимания процесса поляризации. Если вы еще не знакомы с этими темами, вы можете ознакомиться с ними, прежде чем читать дальше.

Зарядка двухсферной системы с помощью отрицательно заряженного объекта

Одна обычная демонстрация, выполняемая в классе физики, включает индукционную зарядку двух металлических сфер.Металлические сферы поддерживаются изолирующими стойками, так что любой заряд, полученный сферами, не может попасть на землю . Сферы размещаются рядом (см. Диаграмму I. ниже), чтобы образовалась система из двух сфер. Электроны, сделанные из металла (проводника), могут свободно перемещаться между сферами — от сферы A к сфере B и наоборот. Если резиновый шар заряжается отрицательно (возможно, натирая его шерстью животных) и приближается к сферам, электроны в системе двух сфер будут вынуждены отойти от шара.Это просто принцип, по которому одинаковые заряды отталкиваются. Заряженные отрицательно, электроны отталкиваются отрицательно заряженным воздушным шаром. Находясь в проводнике, они могут свободно перемещаться по поверхности проводника. Затем происходит массовая миграция электронов из сферы A в сферу B. Эта миграция электронов вызывает поляризацию системы двух сфер (см. Диаграмму II ниже). В целом система с двумя сферами электрически нейтральна. Однако движение электронов из сферы A в сферу B отделяет отрицательный заряд от положительного.Глядя на сферы по отдельности, было бы правильно сказать, что сфера A имеет общий положительный заряд, а сфера B имеет общий отрицательный заряд. После того как система из двух сфер поляризована, сфера B физически отделена от сферы A с помощью изолирующей подставки. Будучи вытянутым дальше от воздушного шара, отрицательный заряд, вероятно, равномерно перераспределяется вокруг сферы B (см. Диаграмму iii ниже). Между тем, избыточный положительный заряд на сфере А остается локализованным рядом с отрицательно заряженным воздушным шаром, в соответствии с принципом притяжения противоположных зарядов.По мере того как воздушный шар оттягивается, заряд равномерно распределяется по поверхности обеих сфер (см. Диаграмму iv ниже). Это распределение происходит, когда оставшиеся электроны в сфере A движутся по поверхности сферы до тех пор, пока избыточный положительный заряд не распределится равномерно. (Это распределение положительного заряда на проводнике подробно обсуждалось ранее в Уроке 1.)

Закон сохранения заряда

Закон сохранения заряда легко соблюдается в процессе индукционной зарядки.Рассматривая приведенный выше пример, можно рассматривать две сферы как систему. До процесса зарядки общий заряд системы был нулевым. В двух сферах было равное количество протонов и электронов. На диаграмме ii. выше, электроны были вынуждены двигаться от сферы A к сфере B. В этот момент отдельные сферы становятся заряженными. Количество положительного заряда на сфере A равно количеству отрицательного заряда на сфере B. Если сфера A имеет 1000 единиц положительного заряда, то сфера B имеет 1000 единиц отрицательного заряда.Определить общий заряд системы несложно; это просто сумма зарядов на отдельных сферах.

Общий заряд двух сфер = +1000 единиц + (-1000 единиц) = 0 единиц

Общий заряд в системе двух объектов после процесса зарядки такой же, как и до процесса зарядки. Заряд не создается и не уничтожается во время этого процесса зарядки; он просто передается от одного объекта к другому в форме электронов.

Зарядка двухсферной системы положительно заряженным объектом

Приведенные выше примеры показывают, как отрицательно заряженный воздушный шар используется для поляризации системы из двух сфер и, в конечном итоге, для индукционного заряда сфер. Но что случилось бы со сферой A и сферой B, если бы положительно заряженный объект был использован для первой поляризации системы двух сфер? Чем изменится результат и как изменится движение электронов?

Рассмотрим рисунок ниже, на котором положительно заряженный воздушный шар приближается к Сфере А.Наличие положительного заряда вызывает массовую миграцию электронов от сферы B к (и внутрь) сфере A. Это движение вызвано простым принципом притяжения противоположностей. Отрицательно заряженные электроны по всей системе двух сфер притягиваются к положительно заряженному воздушному шару. Это движение электронов от сферы B к сфере A оставляет сферу B с общим положительным зарядом и сферу A с общим отрицательным зарядом. Система двух сфер поляризована. Когда рядом находится положительно заряженный воздушный шар, сфера B физически отделена от сферы A.Избыточный положительный заряд равномерно распределен по поверхности сферы B. Избыточный отрицательный заряд на сфере A остается скученным по направлению к левой стороне сферы, располагаясь рядом с воздушным шаром. Как только воздушный шар удален, электроны перераспределяются вокруг сферы A до тех пор, пока избыточный отрицательный заряд не будет равномерно распределен по поверхности. В конце концов, сфера A заряжается отрицательно, а сфера B — положительно.

Этот процесс индукционной зарядки можно использовать для зарядки пары банок.Это достаточно простой эксперимент, который можно повторить дома. На чашки из пенополистирола с помощью скотча крепятся две баночки для шипучки. Банки ставят бок о бок и к одной из банок подводят отрицательно заряженный резиновый баллон (натертый шерстью животных). Присутствие отрицательного заряда возле банки вызывает движение электронов от банки A к банке B (см. Диаграмму). Как только банки разделены, банки заряжаются. Тип заряда на банках можно проверить, посмотрев, притягивают ли они отрицательно заряженный шар или отталкивают ли они отрицательно заряженный шар.Конечно, мы ожидаем, что Can A (положительно заряженный) притянет отрицательно заряженный воздушный шар, а Can B (отрицательно заряженный) оттолкнет отрицательно заряженный воздушный шар. В процессе индукционной зарядки роль воздушного шара заключается в том, чтобы просто вызвать перемещение электронов от одной емкости к другой. Он используется для поляризации системы с двумя банками. Воздушный шар никогда не поставляет электроны в банку A (если вы не слышите искру, указывающую на разряд молнии от шара в банку).

Важность заземления в индукционной зарядке

В случаях индукционной зарядки, описанных выше, окончательный заряд объекта никогда не является результатом движения электронов от заряженного объекта к изначально нейтральным объектам. Воздушный шар никогда не передает электроны и не принимает электроны от сфер; также стеклянный стержень не переносит электроны на сферы и не принимает электроны от них. Нейтральный объект, ближайший к заряженному объекту (сфера A в этих обсуждениях), получает свой заряд от объекта, к которому он прикасается.В приведенных выше случаях вторая сфера используется для подачи электронов на сферу A или для приема электронов от сферы A. Роль сферы B в приведенных выше примерах состоит в том, чтобы служить поставщиком или приемником электронов в ответ на объект, который приближается к сфере A. В этом смысле сфера B действует как земля .

Чтобы дополнительно проиллюстрировать важность заземления , , рассмотрим индукционную зарядку одиночной проводящей сферы. Предположим, что отрицательно заряженный резиновый шар приближается к единственной сфере, как показано ниже (диаграмма ii).Наличие отрицательного заряда вызовет движение электрона в сфере. Поскольку одноименные заряды отталкиваются, отрицательные электроны внутри металлической сферы будут отталкиваться отрицательно заряженным воздушным шаром. Произойдет массовая миграция электронов из левой части сферы в правую часть сферы, в результате чего заряд внутри сферы станет поляризованным (Диаграмма II). Когда заряд внутри сферы становится поляризованным, к сфере прикасаются. Прикосновение к сфере позволяет электронам выходить из сферы и перемещаться через руку к «земле» (диаграмма iii).Именно в этот момент сфера приобретает заряд. Когда электроны покинули сферу, сфера приобретает положительный заряд (диаграмма iv). Когда воздушный шар отодвигается от сферы, избыточный положительный заряд перераспределяется (перемещением оставшихся электронов), так что положительный заряд равномерно распределяется по поверхности сферы.

В этом примере индукционной зарядки следует отметить несколько моментов. Во-первых, обратите внимание, что на третьем этапе процесса человек касается сферы.Человек выполняет роль земли. По сравнению с индукционной зарядкой системы из двух сфер, человек просто заменил вторую сферу (Сфера B). Электроны внутри сферы отталкиваются отрицательным воздушным шаром и пытаются дистанцироваться от него, чтобы минимизировать отталкивающие воздействия. (Этот коэффициент расстояния будет подробно рассмотрен в Уроке 3). В то время как эти электроны толпятся к правой стороне сферы, чтобы дистанцироваться от отрицательно заряженного шара, они сталкиваются с другой проблемой.С человеческой точки зрения, можно сказать, что избыточные электроны на правой стороне сферы не только находят воздушный шар отталкивающим, , они также находят друг друга отталкивающими, . Им просто нужно больше места, чтобы дистанцироваться как от воздушного шара, так и друг от друга. К большому сожалению для этих электронов, у них закончилась недвижимость; они не могут идти дальше границы сферы. Слишком много электронов в одном районе — это нехорошо. И когда рука приближается, эти отрицательные электроны видят возможность найти больше недвижимости — огромное человеческое существо, в которое они могут бродить и впоследствии дистанцироваться еще дальше друг от друга.Именно в этом смысле рука и тело, к которому она прикреплена (при условии, конечно, что рука прикреплена к телу) служат опорой. Земля — это просто большой объект, который служит почти бесконечным источником электронов или стоком для электронов. Земля содержит такое обширное пространство, что это идеальный объект либо для приема электронов, либо для доставки электронов любому объекту, который необходим для их удаления или приема.

Второе, что следует отметить в показанном выше процессе индукционной зарядки, это то, что сфера приобретает заряд напротив шара.Так будет всегда. Если отрицательно заряженный объект используется для индукционной зарядки нейтрального объекта, то нейтральный объект приобретет положительный заряд. И если положительно заряженный объект используется для индукционной зарядки нейтрального объекта, то нейтральный объект приобретет отрицательный заряд. Если вы понимаете процесс индукционной зарядки, вы поймете, почему это всегда так. Подносимый заряженный объект всегда будет отражать как заряды и притягивать противоположные заряды.В любом случае заряжаемый объект приобретает заряд, противоположный заряду объекта, использованного для создания заряда. Чтобы проиллюстрировать это, на диаграмме ниже показано, как положительно заряженный воздушный шар заряжает сферу отрицательно за счет индукции.

Электрофор

Обычно используемая лаборатория, демонстрирующая метод индукционной зарядки, — это лаборатория Electrophorus. В этой лаборатории плоскую пластину из пены натирают шерстью животных, чтобы придать пене отрицательный заряд.Электроны переходят от шерсти животного к более электронолюбивой пене (Диаграмма I.). Алюминиевая тарелка для пирога приклеена к чашке из пенополистирола; алюминий является проводником, а пенополистирол — изолирующей ручкой. Когда алюминиевая пластина приближается, электроны внутри алюминия отталкиваются отрицательно заряженной пластиной из вспененного материала. Происходит массовая миграция электронов к краю алюминиевой пластины пирога. В этот момент пластина алюминиевого пирога поляризована, а отрицательный заряд расположен вдоль верхнего края, наиболее удаленного от пластины из пенопласта (диаграмма II.). Затем касаются края пластины, обеспечивая путь от алюминиевой пластины к земле . Электроны на ободе не только отталкиваются отрицательной пластиной из пенопласта, но также отталкиваются друг от друга. Таким образом, после прикосновения происходит массовая миграция электронов от обода к человеку, касающемуся обода (Диаграмма III). Будучи намного больше по размеру, чем алюминиевая пластина пирога, человек предоставляет больше места для взаимно отталкивающих электронов. В тот момент, когда электроны покидают алюминиевую пластину, алюминий можно рассматривать как заряженный объект.Потеряв электроны, алюминий имеет больше протонов, чем электронов, и поэтому заряжен положительно. После того, как пластина из пеноматериала удалена, избыточный положительный заряд распределяется по поверхности алюминиевой пластины, чтобы минимизировать общие силы отталкивания между ними (диаграмма iv).

Лаборатория Electrophorus также демонстрирует, что при индукционной зарядке нейтрального объекта заряд, передаваемый объекту, противоположен заряду объекта, используемого для индукции заряда.В этом случае пластина из пенопласта была заряжена отрицательно, а алюминиевая пластина — положительно. Лаборатория также демонстрирует, что никогда не бывает переноса электронов между пластиной из пеноматериала и алюминиевой пластиной. Алюминиевая пластина заряжается за счет передачи электронов земле. Наконец, можно отметить, что роль заряженного объекта в индукционной зарядке состоит в том, чтобы просто поляризовать заряжаемый объект. Эта поляризация возникает, когда отрицательная пластина из вспененного материала отталкивает электроны с ближней стороны, заставляя их перемещаться на противоположную сторону алюминиевой пластины.Наличие положительного заряда на дне алюминиевой пластины является результатом ухода электронов из этого места. Протоны не двигались вниз через алюминий. Протоны всегда были там с самого начала; просто они потеряли своих электронных партнеров . Протоны зафиксированы на месте и не могут двигаться ни в одном электростатическом эксперименте.

Электроскоп

Другой распространенный лабораторный опыт, иллюстрирующий метод индукционной зарядки, — это лаборатория электроскопа.В лаборатории электроскопа положительно заряженный объект, например алюминиевый пирог, используется для индукционной зарядки электроскопа. Электроскоп — это устройство, способное обнаруживать наличие заряженного объекта. Он часто используется в электростатических экспериментах и ​​демонстрациях, чтобы проверить наличие заряда и определить тип заряда, присутствующего на объекте. Электроскопы бывают всевозможных разновидностей и марок, от электроскопа с сусальным золотом до игольчатого электроскопа.

Хотя существуют разные типы электроскопов, основная работа каждого из них одинакова.Электроскоп обычно состоит из проводящей пластины или ручки, проводящего основания и либо пары проводящих лепестков, либо проводящей иглы. Поскольку все рабочие части электроскопа являются проводящими, электроны могут перемещаться от пластины или ручки в верхней части электроскопа к игле или выходить из нижней части электроскопа. Предметы обычно касаются или удерживаются рядом с пластиной или ручкой, таким образом вызывая движение электронов в иглу или листья (или от иглы / листьев к пластине / ручке).Золотые листья или игла электроскопа — единственные подвижные части. Когда в игле или золотых листах присутствует избыток электронов (или недостаток электронов), возникает отталкивающий эффект между одинаковыми зарядами, из-за которого листья отталкиваются друг от друга или игла отталкивается основанием, на котором она лежит. на. Всякий раз, когда наблюдается это движение листьев / иглы, можно сделать вывод, что там присутствует избыток заряда — положительный или отрицательный. Важно отметить, что движение листьев и иглы никогда не указывает прямо на тип заряда на электроскопе; это только указывает на то, что электроскоп обнаруживает заряд.

Предположим, что для демонстрации индукционной зарядки используется игольчатый электроскоп. Алюминиевая пластина для пирога сначала заряжается положительно в процессе индукции (см. Обсуждение выше). Затем алюминиевая пластина удерживается над пластиной электроскопа. Поскольку алюминиевая пластина не касается электроскопа, заряд на алюминиевой пластине НЕ передается на электроскоп. Тем не менее, пластина из алюминиевого пирога оказывает влияние на электроны в электроскопе.Пластина пирога заставляет электроны внутри электроскопа двигаться. Поскольку противоположности притягиваются, бесчисленное количество отрицательно заряженных электронов тянутся вверх к верхней части электроскопа. Потеряв множество электронов, нижняя часть электроскопа имеет временно индуцированный положительный заряд. Получив электроны, верхняя часть электроскопа имеет временно индуцированный отрицательный заряд (диаграмма II ниже). В этот момент электроскоп поляризован; однако общий заряд электроскопа нейтрален.Затем этап зарядки происходит, когда нижняя часть электроскопа касается земли. Прикоснувшись к нижней части электроскопа, электроны попадают в электроскоп с земли. Одним из объяснений их появления является то, что они втягиваются в нижнюю часть электроскопа из-за наличия положительного заряда в нижней части электроскопа. Поскольку противоположности притягиваются, электроны притягиваются к нижней части электроскопа (диаграмма iii). При входе электронов стрелка электроскопа возвращается в нейтральное положение.Это движение иглы является результатом того, что отрицательные электроны нейтрализуют ранее положительно заряженную иглу в нижней части электроскопа. В этот момент электроскоп имеет отрицательный заряд. Стрелка не показывает этот заряд, потому что избыток электронов все еще сосредоточен в верхней пластине электроскопа; они притягиваются к положительно заряженной алюминиевой пластине пирога, которая удерживается над электроскопом (диаграмма IV). После того, как пластина алюминиевого пирога отодвинута, избыток электронов в электроскопе перераспределяется по проводящим частям электроскопа.При этом многочисленные избыточные электроны попадают в иглу и основание, на которое она опирается. Наличие избыточного отрицательного заряда в игле и основании заставляет иглу отклоняться, указывая на то, что электроскоп был заряжен (Схема v.).

Вышеупомянутое обсуждение представляет собой еще одну иллюстрацию фундаментальных принципов индукционной зарядки. Эти фундаментальные принципы были проиллюстрированы в каждом примере индукционной зарядки, обсуждаемом на этой странице.Принципы:

• Заряженный объект никогда не касается объекта, который заряжается индукцией.
• Заряженный объект не передает электроны заряжаемому объекту и не принимает электроны от него.
• Заряженный объект служит для поляризации заряжаемого объекта.
• Заряжаемый объект касается земли; Электроны передаются между землей и заряжаемым объектом (либо внутрь объекта, либо из него).
• Заряжаемый объект в конечном итоге получает заряд, противоположный заряду заряженного объекта, который используется для его поляризации.

Мы хотели бы предложить … Иногда просто прочитать об этом недостаточно. Вы должны взаимодействовать с ним! И это именно то, что вы делаете, когда используете один из интерактивных материалов The Physics Classroom. Мы хотели бы предложить вам совместить чтение этой страницы с использованием нашего интерактивного зарядного устройства.Вы можете найти его в разделе Physics Interactives на нашем сайте. Charging Interactive — это электростатическая «игровая площадка», которая позволяет учащемуся исследовать различные концепции, связанные с зарядом, взаимодействиями зарядов, процессами зарядки и заземлением. Как только вы освоитесь с концепциями, коснитесь кнопки «Играть» своим игровым лицом.

Проверьте свое понимание

Используйте свое понимание заряда, чтобы ответить на следующие вопросы.По завершении нажмите кнопку, чтобы просмотреть ответы.

1. Две нейтральные проводящие баночки касаются друг друга. Положительно заряженный шар подносят к одной из банок, как показано ниже. Банки разделяются, пока воздушный шар находится рядом, как показано на рисунке. После того, как баллон удален, банки собирают вместе. При повторном прикосновении банка X ____.

а. положительно заряженный	г.отрицательно заряженный
г. нейтральный	г. невозможно сказать

2. Две нейтральные проводящие баночки касаются друг друга. Положительно заряженный стеклянный стержень подносят к банке X, как показано ниже. Что из следующего происходит, когда стеклянный стержень приближается к Can X? Перечислите все подходящие варианты.

а. Электроны прыгают со стеклянного стержня в банку X.

г. Электроны прыгают со стеклянного стержня в банку Y.

г. Электроны прыгают из банки X на стеклянный стержень.

г. Электроны прыгают из банки Y на стеклянный стержень.

e. Протоны прыгают со стеклянного стержня в банку X.

ф. Протоны прыгают из банки X на стеклянный стержень.

г. … ерунда! Ничего из этого не происходит.

3. ИСТИНА или ЛОЖЬ ?

Две нейтральные проводящие баночки касаются друг друга. Отрицательно заряженный воздушный шар приближается к банке X, как показано ниже. Когда воздушный шар приближается к Can X, происходит движение электронов между воздушным шаром и Can X (в одном или другом направлении).

4.Положительно заряженный шар приближается к нейтральной проводящей сфере, как показано ниже. Когда воздушный шар находится рядом, сфера касается (заземления).

В этот момент происходит движение электронов. Электроны движутся ____.

а. в сферу с земли (рука)

г. из сферы в землю (рука)

г. в сферу из воздушного шара

г. из сферы в воздушный шар

e.с земли через сферу на воздушный шар

ф. от воздушного шара через сферу до земли

г. …. ерунда! Электроны вообще не двигаются.

5. Предположим, что отрицательно заряженный баллон используется для индукционной зарядки электроскопа. Процедурные шаги описаны в обучающей карикатуре ниже.На рисунке нарисуйте ориентацию иглы и укажите расположение и тип любого избыточного заряда на шагах ii. — v. Объясните с точки зрения движения электронов, что происходит на каждом этапе.

Посмотреть ответ.

6. Отрицательно заряженный воздушный шар приближается к нейтральной проводящей сфере, как показано ниже. По мере приближения заряд внутри сферы будет распределяться очень специфическим образом.Какая из приведенных ниже диаграмм правильно отображает распределение заряда в сфере?

7. Положительно заряженный кусок пенополистирола кладется на стол. Подносят нейтральную алюминиевую тарелку для пирога, как показано ниже. При удерживании над пенополистиролом алюминиевая пластина касается (заземления).

В этот момент происходит движение электронов.Электроны движутся ____.

а. из алюминиевой пластины в землю (рука)

г. в алюминиевую плиту с земли (рука)

г. в алюминиевую пластину из пенополистирола

г. из алюминиевой пластины в пенополистирол

e. от земли через алюминиевую пластину до пенополистирола

ф. от пенополистирола через алюминиевую пластину до земли

г….. ерунда! Электроны вообще не двигаются.

Ответ на вопрос № 5:

Что такое электрическая индукция? | Универсальный класс

?

Электричество. Определения

Термин электричество , как мы узнали из изучения различных разделов физики, трудно определить с помощью одного всеобъемлющего определения.Ученые и ученые часто расходятся во мнениях относительно истинного значения этого термина. Чтобы проиллюстрировать диапазон существующих определений, мы включили несколько различных.

1. Определение ученых. Электричество относится исключительно к электронам и протонам; по сути, электрический заряд объекта.

2. Повседневное определение. Электричество — это энергия электромагнитного поля, передаваемая батареями и генераторами.

3. Начальная школа Определение. Электричество — это текущее движение, производимое электрическим зарядом.

4. Рабочее определение. Электричество — это величина дисбаланса между количеством электронов и протонов.

И некоторые дополнительные, менее часто используемые определения включают:

5. Текущее движение электрической энергии.

6. Электрический потенциал (электронное поле).

7. Просто область науки.

Основываясь на таком широком выборе определений, трудно различить истинное значение термина электрический , что усложняет процесс формирования определения для электрической индукции .

Индукция. Определение

Это подводит нас к определению индукции . Согласно Мерриам-Вебстеру, индукция — это «процесс, посредством которого электрический проводник становится электрифицированным, когда он находится рядом с заряженным телом, посредством которого намагничиваемое тело становится намагниченным, когда оно находится в магнитном поле или в магнитном потоке, создаваемом магнитодвижущей силой или что электродвижущая сила создается в цепи путем изменения магнитного поля, связанного с цепью.»

Комбинируя определения для терминов «электрический» и «индукционный», мы можем получить следующие определения: Изменяющееся магнитное поле приводит к разности потенциалов (обычно известной как напряжение) в проводнике.

В то время как стационарное магнитное поле не будет влиять на провод или токовую петлю, движущееся или изменяющееся магнитное поле будет генерировать электрический ток с низким током или напряжение, проходящее через концы токовой петли. Ток или напряжение, в основном известные как электромагнитная индукция, называются индуцированным током или индуцированным напряжением.

Электрическая индукция. Принцип действия

Электромагнитная индукция — это основной принцип, который используется для объяснения того, как работают электрические генераторы (также называемые генераторами переменного тока), микрофоны, электрогитары и трансформаторы.

Ток, содержащийся в проводнике, называется альтернативой , потому что его ток течет вперед и назад в результате того, что проводник сначала поднимается, а затем опускается в магнитном поле. Короче говоря, токи помогают создавать магнитные поля.

Движущееся или изменяющееся магнитное поле действительно создает ток в токовой петле или напряжение на концах токовой петли. Это называется электромагнитной индукцией, а ток или напряжение — индуцированным током или индуцированным напряжением.

Электрическая индукция. История

Одно из самых важных достижений в области науки, открытие электромагнитной индукции, было описано Майклом Фарадеем в 1831 году. Официально он был первым ученым и математиком, который задокументировал свои открытия после проведения серии испытаний на катушке, которую он сделал. обмотка бумажного цилиндра проволокой.

Когда он подключил катушку к гальванометру, а затем перемещал магнит взад и вперед внутри цилиндра, Фарадей сообщил, что величина напряжения, создаваемого в проводнике, была пропорциональна скорости изменения магнитного потока (чередование уровней электрического токи).

Более того, Фарадей обнаружил, что это утверждение истинно и применимо независимо от того, изменяется ли сила самого потока или проводник движется через магнитное поле. Как указывалось ранее, электромагнитная индукция является основным принципом, который объясняет работу генераторов и асинхронных двигателей, а также большинства других электрических машин.

Закон электромагнитной индукции Фарадея гласит, что где — электродвижущая сила (ЭДС) в вольтах, Н, — количество витков провода, а Wb — магнитный поток по Веберсу. Далее немецкий ученый H.F.E. Ленц, используя «Закон Ленца», дает направление наведенной ЭДС, таким образом:

ЭДС, индуцированная в электрической цепи, всегда действует в таком направлении, что ток, который она протекает по цепи, противодействует изменению магнитного потока, которое создает ЭДС.

Электрическая индукция. Краткое изложение основных принципов

Следовательно, мы можем различить, что магнитный поток — это сила магнитного поля, которое проходит через определенную область. С точки зрения формулы, это произведение магнитного поля (B) на площадь (A), которая проходит через угол (a) между линией, идущей под углом 90 градусов к области, и линиями магнитного поля.

Магнитный поток представлен символом F. По этой причине физики часто формулируют следующую формулу как данность: F = B * A * cos (a), и результирующая единица измерения будет Tm ² , где T (обычно как тета, θ) — это единица измерения магнитного поля, а m ² — единица измерения площади.

Или, говоря упрощенно, вы можете думать о потоке как о «воздушном потоке», вдувающем воздух через окно. Размер окна (A), скорость воздуха (B) и направление (тета) определяют, сколько воздуха проходит через окно.

Переменный магнитный поток создает электродвижущую силу (ЭДС). В свою очередь, эта сила оказывает давление на свободные электроны определенным образом, вызывая ток.

Электромагнитная индукция. Современные приложения

После того, как была установлена ​​взаимная связь между электричеством и магнетизмом, практическое применение стало практически безграничным.

Генератор, например, открыл путь к широкому спектру инновационных промышленных концепций. Преобразуя механическую энергию в электрическую, генератор полагался на основной принцип электромагнитной индукции — прохождение электрического проводника через магнитное поле.

Как объяснялось ранее, когда одна сторона катушки проходит через магнитное поле сначала в одном направлении, а затем в другом направлении, конечным результатом является переменный ток (магнитный поток).Этот тип генератора переменного тока аналогичен устройству, используемому в транспортных средствах для выработки постоянного потока энергии.

Кроме того, трансформаторы могут передавать переменные токи из одной электрической цепи в другую посредством индукции электромагнита. В каждом районе есть трансформатор, расположенный на централизованной опоре питания; это канал для передачи электричества во все отдельные дома.

По большей части, эти типы силовых трансформаторов передают мощность с постоянной частотой.Радиочастотные (ВЧ) трансформаторы работают на более высоких частотах, что дает ВЧ-генераторам множество промышленных применений.

Радио было одним из первых «современных» изобретений, в которых применялась наука об электромагнитных волнах. Дополнительные современные разработки включают индукционный нагрев и индукционную пайку (сварочный процесс, используемый при изготовлении металлов, когда различные металлы спаяны вместе, чтобы сформировать один работоспособный материал).

Induction — Physics LibreTexts

Введение

Мы уже видели, что электрическое и магнитное поля тесно связаны, поскольку то, что один наблюдатель видит как один тип поля, другой наблюдатель в другой системе отсчета видит как смесь обоих.Однако отношения идут еще глубже. На рисунке t показан пример, который даже не включает две разные системы отсчета. Это явление индуцированных электрических полей — полей, которые не связаны с зарядами — было чисто экспериментальным достижением Майкла Фарадея (1791-1867), сына кузнеца, которому пришлось бороться с жесткой классовой структурой 19 века. Англия. Фарадей, работавший в 1831 году, имел лишь смутное и общее представление о связи электричества и магнетизма друг с другом, основываясь на демонстрации Эрстеда за десять лет до того, что магнитные поля вызываются электрическими токами.

Фарадей на британской банкноте.

Рисунок t представляет собой упрощенный чертеж эксперимента, описанного в оригинальной статье Фарадея: «Двести три фута медной проволоки … были пропущены вокруг большого деревянного бруска; [другой] двести три фута аналогичного провода были вставлены в виде спирали между витками первого, и металлический контакт повсюду предотвращался шпагатом [изоляцией]. Одна из этих [катушек] была связана с гальванометром [вольтметром], а другая — с батареей… Когда контакт был установлен, на гальванометре возник внезапный и очень слабый эффект, а также был такой же легкий эффект, когда контакт с батареей был прерван. Но пока … ток продолжал проходить через одну [катушку], никакого … воздействия … на другую [катушку] не ощущалось, хотя было доказано, что активная мощность батареи велика, с помощью он нагревает всю свою катушку [посредством обычного резистивного нагрева] … »

Рисунок t: Эксперимент Фарадея, упрощенный и показанный на современном оборудовании.

Из заметок и публикаций Фарадея следует, что ситуация на рисунке t / 3 была для него неожиданностью, и он, вероятно, подумал, что это будет неожиданностью и для своих читателей. Вот почему он представил доказательства того, что ток все еще течет: чтобы показать, что батарея не просто умерла. Эффект индукции проявился в течение короткого времени, которое потребовалось для установления магнитного поля черной катушки, t / 2. Еще более парадоксально, мы получаем эффект, столь же сильный, но в противоположном направлении, когда цепь разорвана , t / 4.Эффект возникает только тогда, когда магнитное поле изменяется: увеличивается или уменьшается.

Что мы на самом деле измеряем здесь вольтметром? Вольтметр — это не что иное, как резистор с приставкой для измерения тока через него. Ток не будет протекать через резистор, если не существует электрического поля, толкающего электроны, поэтому мы заключаем, что изменяющееся магнитное поле создало электрическое поле в окружающем пространстве. Поскольку белый провод не является идеальным проводником, в нем также должны быть электрические поля.Замечательная особенность цепи, образованной белым проводом, заключается в том, что, когда электроны перемещаются вокруг и вокруг, они всегда толкаются вперед электрическими полями. То есть электрическое поле как бы образует фигурный узор, похожий на водоворот.

То, что наблюдал Фарадей, было примером принципа индукции :

• Любое магнитное поле, которое изменяется со временем, создает электрическое поле. Индуцированное электрическое поле перпендикулярно магнитному полю и образует вокруг него фигурный узор.
• Любое электрическое поле, которое изменяется со временем, создает магнитное поле. Индуцированное магнитное поле перпендикулярно электрическому полю и образует вокруг него фигурный узор.

Первую часть Фарадей видел в своем эксперименте. Геометрические соотношения показаны на рисунке u. В установке Фарадея магнитное поле было направлено вдоль оси катушки с проволокой, поэтому индуцированное электрическое поле образовывало фигурный узор, который вращался по окружности блока.

Рисунок u : Геометрия индуцированных полей. Индуцированное поле имеет тенденцию образовывать водоворот вокруг изменения поля, вызывающего его. Обозначение Δ (греческая буква дельта) означает «изменение в». Обратите внимание, как индуцированные поля циркулируют в противоположных направлениях.

Пример 5: Генератор

Базовый генератор v состоит из постоянного магнита, который вращается внутри катушки с проволокой. Магнит вращается с помощью двигателя или кривошипа (не показано).Когда он вращается, близлежащее магнитное поле изменяется. Это изменяющееся магнитное поле приводит к электрическому полю, имеющему фигурную форму. Эта модель электрического поля создает ток, который вращается вокруг катушек проволоки, и мы можем коснуться этого тока, чтобы зажечь лампочку.

Рисунок v: генератор A.

Если бы магнит был на подшипнике качения, могли бы мы зажигать лампочку бесплатно бесконечно, нарушая закон сохранения энергии? Нет. Тяжело провернуть магнит, и вот откуда берется энергия.Если мы разорвем цепь лампочки, внезапно станет легче провернуть магнит! Это связано с тем, что ток в катушке создает собственное магнитное поле, и это поле создает крутящий момент на магните. Если бы мы прекратили проворачивать, этот крутящий момент быстро остановил бы вращение магнита.

самопроверка:

Когда вы ведете машину, двигатель непрерывно заряжает аккумулятор с помощью устройства, называемого генератором переменного тока, которое на самом деле является просто генератором. Почему вы не можете использовать генератор для запуска двигателя, если аккумулятор вашего автомобиля разряжен?

Пример 6: Трансформатор

Для электроэнергетической компании более эффективно передавать мощность по электрическим линиям с использованием высокого напряжения и низкого тока.Однако мы не хотим, чтобы наши розетки работали при напряжении 10000 вольт! По этой причине электрическая компания использует устройство, называемое трансформатором, w, для преобразования всего в более низкие напряжения и более высокие токи внутри вашего дома. Катушка на входе создает магнитное поле. Трансформаторы работают с переменным током (токи, меняющие направление много раз в секунду), поэтому магнитное поле, окружающее входную катушку, постоянно меняется. Это индуцирует электрическое поле, которое возбуждает ток вокруг выходной катушки.

Рисунок w . Трансформатор.

Поскольку электрическое поле имеет изогнутую форму, электрон может продолжать набирать все больше и больше энергии, циркулируя через него снова и снова. Таким образом, выходным напряжением можно управлять, изменяя количество витков провода на выходной стороне. В любом случае сохранение энергии гарантирует, что количество мощности на выходной стороне должно быть равно количеству, заложенному изначально,

уравнений

, поэтому независимо от того, на какой коэффициент уменьшается напряжение, ток увеличивается на то же значение. фактор.Это аналог рычага. Лом позволяет поднять тяжелый валун, но чтобы переместить валун на сантиметр, вам, возможно, придется переместить конец рычага на метр. Преимущество в силе сочетается с недостатком расстояния. Это как если бы вам разрешили поднять небольшой вес на большую высоту, а не большой вес на небольшую высоту. В любом случае энергия, которую вы тратите, одинакова.

Пример 7: Развлечение с искрами

Отключите лампу, когда она включена, и наблюдайте за зоной вокруг розетки.Вы должны увидеть голубую искру в воздухе в тот момент, когда штыри вилки теряют контакт с электрическими контактами внутри розетки.

Это свидетельство того, что поля содержат энергию. Где-то на вашей улице стоит трансформатор, одна сторона которого подключена к цепи лампы. Когда лампа подключена и включена, цепь замкнута и течет ток. когда ток течет через катушки в трансформаторе, формируется магнитное поле — помните, каждый раз, когда есть движущийся заряд, возникают магнитные поля.Поскольку в катушках имеется большое количество витков, эти поля довольно сильные и накапливают довольно много энергии.

Когда вы выдергиваете вилку из розетки, цепь больше не замыкается, и ток прекращается. После исчезновения тока магнитного поля больше нет, а это означает, что некоторая энергия исчезла. Сохранение энергии говорит нам, что если определенное количество энергии исчезает, такое же количество должно снова появиться где-то еще. Эта энергия идет на создание искры. (Когда искра гаснет, ее энергия остается в виде тепла в воздухе.)

Теперь у нас есть две связи между электрическим и магнитным полями. Один из них — это принцип индукции, а другой — идея, согласно которой, согласно теории относительности, наблюдатели в разных системах отсчета должны воспринимать разные смеси магнитных и электрических полей. В то время, когда работал Фарадей, относительности оставалось еще 70 лет, поэтому релятивистские концепции были недоступны — для него его наблюдения были просто удивительными эмпирическими фактами. Но на самом деле релятивистская идея о системах отсчета логически связана с идеей индукции.

Рис. X : Наблюдатель A видит, как положительно заряженная частица движется через область направленного вверх магнитного поля, которое мы считаем однородным, между полюсами двух магнитов. Результирующая сила вдоль оси z заставляет движение частицы искривляться к нам.

Рисунок x — хороший пример, который можно интерпретировать как угодно. Наблюдатель A находится в состоянии покоя относительно стержневых магнитов и видит, как частица отклоняется в направлении z , как и должно быть в соответствии с правилом правой руки.Предположим, что наблюдатель B, с другой стороны, движется вправо вдоль оси x , первоначально с той же скоростью, что и частица. B видит стержневые магниты, движущиеся влево, и частицу, первоначально находящуюся в состоянии покоя, но затем ускоряющуюся вдоль оси z по прямой линии. Магнитное поле не может запустить движение частицы, если она изначально находится в состоянии покоя, поскольку магнетизм — это взаимодействие движущихся зарядов с движущимися зарядами. Таким образом, B приходит к неизбежному выводу, что в этой области пространства существует электрическое поле, которое направлено вдоль оси z .Другими словами, то, что A воспринимает как чистое магнитное поле, B видит как смесь электрического и магнитного полей. Это то, чего мы ожидаем, основываясь на релятивистских аргументах, но этого же требует принцип индукции. В системе отсчета B изначально нет магнитного поля, но затем врывается пара стержневых магнитов и создает одно. Это изменение магнитного поля, поэтому принцип индукции предсказывает, что должно быть и электрическое поле.

13: Электромагнитная индукция — Physics LibreTexts

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

Без заголовков

В этой и нескольких следующих главах вы увидите удивительную симметрию в поведении, которое демонстрируют изменяющиеся во времени электрические и магнитные поля.Математически эта симметрия выражается дополнительным членом в законе Ампера и другим ключевым уравнением электромагнетизма, называемым законом Фарадея. Мы также обсуждаем, как движение провода через магнитное поле создает ЭДС или напряжение.

• 13.1: Введение в электромагнитную индукцию

  Мы рассматривали электрические поля, создаваемые фиксированным распределением заряда, и магнитные поля, создаваемые постоянными токами, но электромагнитные явления не ограничиваются этими стационарными ситуациями.Фактически, большинство интересных приложений электромагнетизма зависят от времени. Чтобы исследовать некоторые из этих приложений, мы удалим сделанное нами не зависящее от времени предположение и позволим полям изменяться со временем.

• 13.2: Закон Фарадея

  ЭДС индуцируется, когда магнитное поле в катушке изменяется путем проталкивания стержневого магнита внутрь или из катушки. ЭДС противоположных знаков создаются движением в противоположных направлениях, а направления ЭДС также меняются на противоположные за счет изменения полюсов.Те же результаты будут получены, если перемещать катушку, а не магнит — важно относительное движение. Чем быстрее движение, тем больше ЭДС, и когда магнит неподвижен относительно катушки, ЭДС отсутствует.

• 13.3: Закон Ленца

  Направление индуцированной ЭДС движет ток по проволочной петле, чтобы всегда противодействовать изменению магнитного потока, вызывающему ЭДС. Закон Ленца также можно рассматривать с точки зрения сохранения энергии.Если толкание магнита в катушку вызывает ток, энергия в этом токе должна исходить откуда-то. Если индуцированный ток вызывает магнитное поле, противодействующее увеличению поля магнита, который мы втолкнули, тогда ситуация ясна.

• 13.4: ЭДС движения

  Магнитный поток зависит от трех факторов: силы магнитного поля, площади, через которую проходят силовые линии, и ориентации поля с площадью поверхности. Если какая-либо из этих величин изменяется, происходит соответствующее изменение магнитного потока.До сих пор мы рассматривали только изменения потока из-за изменяющегося поля. Теперь мы рассмотрим другую возможность: изменение области, через которую проходят силовые линии, включая изменение ориентации области.

• 13,5: Индуцированные электрические поля

  Тот факт, что ЭДС индуцируются в цепях, означает, что работа выполняется с электронами проводимости в проводах. Что может быть источником этой работы? Мы знаем, что это ни батарея, ни магнитное поле, поскольку батарея не обязательно должна присутствовать в цепи, в которой индуцируется ток, а магнитные поля никогда не действуют на движущиеся заряды.Ответ заключается в том, что источником работы является электрическое поле, индуцируемое в проводах.

• 13.6: Вихревые токи

  ЭДС движения индуцируется, когда проводник движется в магнитном поле или когда магнитное поле движется относительно проводника. Если двигательная ЭДС может вызвать ток в проводнике, мы называем этот ток вихревым током.

• 13.7: Электрогенераторы и обратная ЭДС

  С помощью закона Фарадея можно понять множество важных явлений и устройств.В этом разделе мы рассмотрим два из них: электрические генераторы и электродвигатели.

• 13.8: Применение электромагнитной индукции

  В современном обществе существует множество приложений закона индукции Фарадея, которые мы исследуем в этой и других главах. В этот момент позвольте нам упомянуть несколько, которые включают запись информации с использованием магнитных полей.

• 13.A: Электромагнитная индукция (ответы)

• 13.E: Электромагнитная индукция (упражнения)

• 13.S: Электромагнитная индукция (сводка)

20.3 Электромагнитная индукция — физика

Изменение магнитных полей

В предыдущем разделе мы узнали, что ток создает магнитное поле. Если природа симметрична, то, возможно, магнитное поле может создать ток. В 1831 году, примерно через 12 лет после открытия, что электрический ток создает магнитное поле, английский ученый Майкл Фарадей (1791–1862) и американский ученый Джозеф Генри (1797–1878) независимо друг от друга продемонстрировали, что магнитные поля могут создавать токи.Основной процесс генерации токов с помощью магнитных полей называется индукцией; этот процесс также называют магнитной индукцией, чтобы отличить его от индукционной зарядки, в которой используется электростатическая кулоновская сила.

Когда Фарадей открыл то, что сейчас называется законом индукции Фарадея, королева Виктория спросила его, как можно использовать электричество. «Мадам, — ответил он, — что хорошего в ребенке?» Сегодня токи, индуцированные магнитными полями, необходимы нашему технологическому обществу. Электрический генератор, который можно найти во всем, от автомобилей до велосипедов и атомных электростанций, использует магнетизм для генерации электрического тока.Другие устройства, которые используют магнетизм для индукции токов, включают в себя звукосниматели в электрогитарах, трансформаторы любого размера, определенные микрофоны, ворота безопасности аэропорта и механизмы демпфирования на чувствительных химических весах.

Один из экспериментов Фарадея для демонстрации магнитной индукции заключался в том, чтобы переместить стержневой магнит через проволочную катушку и измерить результирующий электрический ток через проволоку. Схема этого эксперимента показана на рис. 20.33. Он обнаружил, что ток индуцируется только тогда, когда магнит движется относительно катушки.Когда магнит неподвижен по отношению к катушке, в катушке не индуцируется ток, как показано на рисунке 20.33. Кроме того, перемещение магнита в противоположном направлении (сравните Рис. 20.33 с Рис. 20.33) или изменение полярности магнита (сравните Рис. 20.33 с Рис. 20.33) приводит к возникновению тока в противоположном направлении.

Рис. 20.33 Движение магнита относительно катушки создает электрические токи, как показано. Такие же токи возникают, если катушку перемещать относительно магнита.Чем больше скорость, тем больше величина тока, и ток равен нулю, когда нет движения. Ток, возникающий при перемещении магнита вверх, имеет направление, противоположное направлению тока, возникающего при перемещении магнита вниз.

Виртуальная физика

Закон Фарадея

Попробуйте это моделирование, чтобы увидеть, как движение магнита создает ток в цепи. Лампочка загорается, чтобы показать, когда течет ток, а вольтметр показывает падение напряжения на лампочке.Попробуйте переместить магнит через четырехвитковую катушку и через двухвитковую катушку. Какая катушка производит более высокое напряжение при одинаковой скорости магнита?

Захват

Если северный полюс находится влево и магнит перемещается справа налево, при входе магнита в катушку создается положительное напряжение. Какое знаковое напряжение получится, если эксперимент повторить с южным полюсом слева?

1. Знак напряжения изменится, потому что направление тока изменится при перемещении южного полюса магнита влево.
2. Знак напряжения останется прежним, потому что направление тока не изменится при перемещении южного полюса магнита влево.
3. Знак напряжения изменится, потому что величина протекающего тока изменится при перемещении южного полюса магнита влево.
4. Знак напряжения останется прежним, потому что величина тока не изменится при перемещении южного полюса магнита влево.

Индуцированная электродвижущая сила

Если в катушке индуцируется ток, Фарадей рассуждал, что должно быть то, что он назвал электродвижущей силой , проталкивающей заряды через катушку. Эта интерпретация оказалась неверной; вместо этого внешний источник, выполняющий работу по перемещению магнита, добавляет энергию зарядам в катушке. Энергия, добавляемая на единицу заряда, измеряется в вольтах, поэтому электродвижущая сила на самом деле является потенциалом. К сожалению, название «электродвижущая сила» прижилось, а вместе с ним и возможность спутать его с реальной силой.По этой причине мы избегаем термина электродвижущая сила и просто используем сокращение ЭДС , которое имеет математический символ ε.ε. ЭДС может быть определена как скорость, с которой энергия отбирается от источника на единицу тока, протекающего по цепи. Таким образом, ЭДС — это энергия на единицу заряда , добавляемая источником, которая контрастирует с напряжением, которое представляет собой энергию на единицу заряда , высвобождаемую , когда заряды проходят через цепь.

Чтобы понять, почему в катушке возникает ЭДС из-за движущегося магнита, рассмотрим рисунок 20.34, на котором показан стержневой магнит, движущийся вниз относительно проволочной петли. Первоначально через петлю проходят семь силовых линий магнитного поля (см. Изображение слева). Поскольку магнит удаляется от катушки, только пять силовых линий магнитного поля проходят через петлю за короткое время ΔtΔt (см. Изображение справа). Таким образом, когда происходит изменение количества силовых линий магнитного поля, проходящих через область, определяемую проволочной петлей, в проволочной петле индуцируется ЭДС. Подобные эксперименты показывают, что наведенная ЭДС пропорциональна скорости изменения магнитного поля.Математически мы выражаем это как

ε∝ΔBΔt, ε∝ΔBΔt,

20,24

где ΔBΔB — изменение величины магнитного поля за время ΔtΔt, а A — площадь петли.

Рис. 20.34 Стержневой магнит перемещается вниз относительно проволочной петли, так что количество силовых линий магнитного поля, проходящих через петлю, со временем уменьшается. Это вызывает в контуре ЭДС, создающую электрический ток.

Обратите внимание, что силовые линии магнитного поля, лежащие в плоскости проволочной петли, на самом деле не проходят через петлю, как показано крайним левым витком на рисунке 20.35. На этом рисунке стрелка, выходящая из петли, представляет собой вектор, величина которого равна площади петли, а направление перпендикулярно плоскости петли. На рисунке 20.35 петля повернута от θ = 90 ° θ = 90 °. до θ = 0 °, θ = 0 ° вклад силовых линий магнитного поля в ЭДС увеличивается. Таким образом, для создания ЭДС в проволочной петле важна составляющая магнитного поля, которая составляет , перпендикулярно плоскости петли, то есть Bcosθ.Bcosθ.

Это аналог паруса на ветру.Представьте, что проводящая петля — это парус, а магнитное поле — как ветер. Чтобы максимизировать силу ветра на парусе, парус ориентируют так, чтобы вектор его поверхности указывал в том же направлении, что и ветер, как в самой правой петле на рис. 20.35. Когда парус выровнен так, что вектор его поверхности перпендикулярен ветру, как в крайней левой петле на рис. 20.35, тогда ветер не оказывает силы на парус.

Таким образом, с учетом угла наклона магнитного поля к площади, пропорциональность E∝ΔB / ΔtE∝ΔB / Δt становится равной

E∝ΔBcosθΔt.E∝ΔBcosθΔt.

20,25

Рис. 20.35 Магнитное поле лежит в плоскости крайней левой петли, поэтому в этом случае оно не может генерировать ЭДС. Когда петля поворачивается так, что угол магнитного поля с вектором, перпендикулярным области петли, увеличивается до 90 ° 90 ° (см. Крайнюю правую петлю), магнитное поле вносит максимальный вклад в ЭДС в петле. Точки показывают, где силовые линии магнитного поля пересекают плоскость, определяемую петлей.

Другой способ уменьшить количество силовых линий магнитного поля, проходящих через проводящую петлю на Рисунке 20.35 не для перемещения магнита, а для уменьшения размера петли. Эксперименты показывают, что изменение площади проводящей петли в стабильном магнитном поле вызывает в петле ЭДС. Таким образом, ЭДС, создаваемая в проводящей петле, пропорциональна скорости изменения произведения перпендикулярного магнитного поля и площади петли

. ε∝Δ [(Bcosθ) A] Δt, ε∝Δ [(Bcosθ) A] Δt,

20,26

, где BcosθBcosθ — перпендикулярное магнитное поле, а A — площадь контура.Продукт BAcosθBAcosθ очень важен. Оно пропорционально количеству силовых линий магнитного поля, которые проходят перпендикулярно через поверхность площадью A . Возвращаясь к нашей аналогии с парусом, он будет пропорционален силе ветра на парусе. Он называется магнитным потоком и обозначается как ΦΦ.

Φ = BAcosθΦ = BAcosθ

20,27

Единицей измерения магнитного потока является Вебер (Вб), то есть магнитное поле на единицу площади, или Тл / м ² . Вебер — это также вольт-секунда (Vs).

Индуцированная ЭДС фактически пропорциональна скорости изменения магнитного потока через проводящую петлю.

ε∝ΔΦΔtε∝ΔΦΔt

20,28

Наконец, для катушки, изготовленной из петель N , ЭДС в N раз сильнее, чем для одиночной петли. Таким образом, наведенная изменяющимся магнитным полем ЭДС в катушке из N петель составляет

ε∝NΔBcosθΔtA.ε∝NΔBcosθΔtA.

Последний вопрос, на который нужно ответить, прежде чем мы сможем преобразовать пропорциональность в уравнение: «В каком направлении течет ток?» Русский ученый Генрих Ленц (1804–1865) объяснил, что ток течет в том направлении, которое создает магнитное поле, которое пытается сохранить постоянный поток в контуре.Например, снова рассмотрим рисунок 20.34. Движение стержневого магнита приводит к уменьшению количества направленных вверх силовых линий магнитного поля, которые проходят через петлю. Следовательно, в контуре генерируется ЭДС, которая направляет ток в направлении, которое создает более направленные вверх силовые линии магнитного поля. Используя правило правой руки, мы видим, что этот ток должен течь в направлении, показанном на рисунке. Чтобы выразить тот факт, что наведенная ЭДС действует как противодействие изменению магнитного потока через проволочную петлю, в пропорциональность ε∝ΔΦ / Δt вводится знак минус.) внутри катушки, направленной влево. Это будет противодействовать увеличению магнитного потока, направленного вправо. Чтобы увидеть, в каком направлении должен течь ток, направьте большой палец правой руки в желаемом направлении магнитного поля B → катушка, B → катушка, и ток будет течь в направлении, указанном сгибанием ваших пальцев правой руки. Это показано изображением правой руки в верхнем ряду рисунка 20.36. Таким образом, ток должен течь в направлении, показанном на рисунке 4 (а).

На Рисунке 4 (b) направление движения магнита изменено на обратное.В катушке направленное вправо магнитное поле B → magB → mag из-за движущегося магнита уменьшается. Закон Ленца гласит, что, чтобы противостоять этому уменьшению, ЭДС будет управлять током, который создает дополнительное направленное вправо магнитное поле B → катушка B → катушка в катушке. Опять же, направьте большой палец правой руки в желаемом направлении магнитного поля, и ток будет течь в направлении, указанном сгибанием ваших пальцев правой руки (Рисунок 4 (b)).

Наконец, на Рисунке 4 (c) магнит перевернут, так что южный полюс находится ближе всего к катушке.Теперь магнитное поле B → magB → mag направлено на магнит, а не на катушку. Когда магнит приближается к катушке, он вызывает увеличение направленного влево магнитного поля в катушке. Закон Ленца гласит, что ЭДС, индуцированная в катушке, будет управлять током в направлении, которое создает магнитное поле, направленное вправо. Это будет противодействовать увеличению магнитного потока, направленного влево из-за магнита. Повторное использование правила правой руки, как показано на рисунке, показывает, что ток должен течь в направлении, показанном на рисунке 4 (c).

Рис. 20.36. Закон Ленца гласит, что ЭДС, индуцированная магнитным полем, будет управлять током, который сопротивляется изменению магнитного потока в цепи. Это показано на панелях (а) — (с) для различных ориентаций и скоростей магнита. Правые руки справа показывают, как применить правило правой руки, чтобы найти, в каком направлении наведенный ток течет вокруг катушки.

Виртуальная физика

Электромагнитная лаборатория Фарадея

Это моделирование предлагает несколько действий.А пока щелкните вкладку Pickup Coil, которая представляет собой стержневой магнит, который вы можете перемещать через катушку. Когда вы это сделаете, вы увидите, как электроны движутся в катушке, и загорится лампочка, или вольтметр покажет напряжение на резисторе. Обратите внимание, что вольтметр позволяет вам видеть знак напряжения при перемещении магнита. Вы также можете оставить стержневой магнит в покое и переместить катушку, хотя наблюдать за результатами сложнее.

Проверка захвата

Сориентируйте стержневой магнит так, чтобы северный полюс был направлен вправо, и поместите приемную катушку справа от стержневого магнита.Теперь переместите стержневой магнит к катушке и посмотрите, в каком направлении движутся электроны. Это такая же ситуация, как показано ниже. Ток при моделировании течет в том же направлении, что и показано ниже? Объясните, почему да или почему нет.

1. Да, ток в моделировании течет, как показано, потому что направление тока противоположно направлению потока электронов.
2. Нет, ток в моделировании течет в противоположном направлении, потому что направление тока совпадает с направлением потока электронов.

Watch Physics

Наведенный ток в проводе

В этом видео объясняется, как можно индуцировать ток в прямом проводе, перемещая его через магнитное поле. Лектор использует перекрестное произведение , тип векторного умножения. Не волнуйтесь, если вы не знакомы с этим, он в основном объединяет правило правой руки для определения силы, действующей на заряды в проводе, с уравнением F = qvBsinθ.F = qvBsinθ.

Проверка захвата

Какая ЭДС создается по прямому проводу 0.через однородное магнитное поле (0,30 Тл) ẑ ? Проволока проходит в направлении ŷ . Кроме того, какой конец провода находится под более высоким потенциалом — пусть нижний конец провода находится под углом y = 0, а верхний конец — под углом y = 0,5 м)?

1. 0,15 В и нижний конец провода будет иметь более высокий потенциал
2. 0,15 В и верхний конец провода будет иметь более высокий потенциал
3. 0,075 В и нижний конец провода будет иметь более высокий потенциал
4. 0.075 В и на верхнем конце провода будет более высокий потенциал

Рабочий пример

ЭДС, индуцированная в проводящей катушке движущимся магнитом

Представьте, что магнитное поле проходит через катушку в направлении, указанном на рисунке 20.37. Диаметр катушки 2,0 см. Если магнитное поле изменится с 0,020 до 0,010 Тл за 34 с, каковы направление и величина индуцированного тока? Предположим, что катушка имеет сопротивление 0,1 Ом.

Рисунок 20.37 Катушка, через которую проходит магнитное поле B .

Стратегия

Используйте уравнение ε = −NΔΦ / Δtε = −NΔΦ / Δt, чтобы найти наведенную ЭДС в катушке, где Δt = 34sΔt = 34s. Подсчитав количество витков соленоида, мы находим, что у него 16 петель, поэтому N = 16.N = 16. Используйте уравнение Φ = BAcosθΦ = BAcosθ для расчета магнитного потока

Φ = BAcosθ = Bπ (d2) 2, Φ = BAcosθ = Bπ (d2) 2,

20,30

, где d — диаметр соленоида, а мы использовали cos0 ° = 1. cos0 ° = 1. Поскольку площадь соленоида не меняется, изменение магнитного потока через соленоид составляет

ΔΦ = ΔBπ (d2) 2.ΔΦ = ΔBπ (d2) 2.

20,31

Найдя ЭДС, мы можем использовать закон Ома, ε = IR, ε = IR, чтобы найти ток.

Наконец, закон Ленца гласит, что ток должен создавать магнитное поле, которое препятствует уменьшению приложенного магнитного поля. Таким образом, ток должен создавать магнитное поле справа.

Решение

Объединение уравнений ε = −NΔΦ / Δtε = −NΔΦ / Δt и Φ = BAcosθΦ = BAcosθ дает

ε = −NΔΦΔt = −NΔBπd24Δt.ε = −NΔΦΔt = −NΔBπd24Δt.

20,32

Решая закон Ома для тока и используя этот результат, получаем

I = εR = −NΔBπd24RΔt = −16 (−0,010T) π (0,020 м) 24 (0,10 Ом) (34 с) = 15 мкА.I = εR = −NΔBπd24RΔt = −16 (−0,010T) π (0,020 м) 24 (0,10 Ом) (34 с) = 15 мкА.

20.33

Закон Ленца гласит, что ток должен создавать магнитное поле справа. Таким образом, мы направляем большой палец правой руки вправо и сжимаем пальцы правой руки вокруг соленоида. Ток должен течь в том направлении, в котором указывают наши пальцы, поэтому он входит в левый конец соленоида и выходит из правого конца.

Обсуждение

Давайте посмотрим, имеет ли смысл знак минус в законе индукции Фарадея. Определите направление магнитного поля как положительное. Это означает, что изменение магнитного поля отрицательное, как мы обнаружили выше. Знак минус в законе индукции Фарадея отрицает отрицательное изменение магнитного поля, оставляя нам положительный ток. Следовательно, ток должен течь в направлении магнитного поля, что мы и обнаружили.

Теперь попробуйте определить положительное направление как направление, противоположное направлению магнитного поля, то есть положительное направление находится слева на рисунке 20.37. В этом случае вы обнаружите отрицательный ток. Но поскольку положительное направление находится влево, отрицательный ток должен течь вправо, что опять же согласуется с тем, что мы обнаружили с помощью закона Ленца.

Рабочий пример

Магнитная индукция из-за изменения размера цепи

Схема, показанная на рисунке 20.38, состоит из U-образного провода с резистором, концы которого соединены скользящим токопроводящим стержнем. Магнитное поле, заполняющее область, ограниченную контуром, имеет постоянное значение 0.01 T. Если стержень тянут вправо со скоростью v = 0,50 м / с, v = 0,50 м / с, какой ток индуцируется в цепи и в каком направлении он течет?

Рисунок 20.38 Схема ползунка. Магнитное поле постоянно, и шток тянется вправо со скоростью v . Изменяющаяся область, заключенная в цепи, вызывает в цепи ЭДС.

Стратегия

Мы снова используем закон индукции Фарадея, E = −NΔΦΔt, E = −NΔΦΔt, хотя на этот раз магнитное поле остается постоянным и площадь, ограниченная контуром, изменяется.Схема состоит из одного контура, поэтому N = 1.N = 1. Скорость изменения площади ΔAΔt = vℓ.ΔAΔt = vℓ. Таким образом, скорость изменения магнитного потока составляет

ΔΦΔt = Δ (BAcosθ) Δt = BΔAΔt = Bvℓ, ΔΦΔt = Δ (BAcosθ) Δt = BΔAΔt = Bvℓ,

20,34

, где мы использовали тот факт, что угол θθ между вектором площади и магнитным полем равен 0 °. Зная ЭДС, мы можем найти ток, используя закон Ома. Чтобы найти направление тока, мы применяем закон Ленца.

Решение

Закон индукции Фарадея дает

E = −NΔΦΔt = −Bvℓ.E = −NΔΦΔt = −Bvℓ.

20,35

Решение закона Ома для тока и использование предыдущего результата для ЭДС дает

I = ER = −BvℓR = — (0,010T) (0,50 м / с) (0,10 м) 20Ω = 25 мкA I = ER = −BvℓR = — (0,010T) (0,50 м / с) (0,10 м) 20Ω = 25 мкА.

20,36

По мере скольжения стержня вправо магнитный поток, проходящий через контур, увеличивается. Закон Ленца говорит нам, что индуцированный ток создаст магнитное поле, которое будет противодействовать этому увеличению. Таким образом, магнитное поле, создаваемое индуцированным током, должно быть на странице.Сгибание петли пальцами правой руки по часовой стрелке заставляет большой палец правой руки указывать на страницу, что является желаемым направлением магнитного поля. Таким образом, ток должен течь по цепи по часовой стрелке.

Обсуждение

Сохраняется ли энергия в этой цепи? Внешний агент должен тянуть стержень с достаточной силой, чтобы просто уравновесить силу на проводе с током в магнитном поле — вспомните, что F = IℓBsinθ.F = IℓBsinθ. Скорость, с которой эта сила действует на стержень, должна уравновешиваться скоростью, с которой цепь рассеивает мощность.Используя F = IℓBsinθ, F = IℓBsinθ, сила, необходимая для протягивания проволоки с постоянной скоростью v , равна

. Fpull = IℓBsinθ = IℓB, Fpull = IℓBsinθ = IℓB,

20,37

, где мы использовали тот факт, что угол θθ между током и магнитным полем составляет 90 ° 0,90 °. Подставляя приведенное выше выражение для тока в это уравнение, получаем

Fpull = IℓB = −BvℓR (ℓB) = — B2vℓ2R. Fpull = IℓB = −BvℓR (ℓB) = — B2vℓ2R.

20,38

Сила, создаваемая агентом, тянущим стержень, равна Fpullv, или Fpullv, или

Потяните = Fpullv = −B2v2ℓ2R.Потяните = Fpullv = −B2v2ℓ2R.

20,39

Мощность, рассеиваемая цепью, составляет

Pdissipated = I2R = (- BvℓR) 2R = B2v2ℓ2R. Pdissipated = I2R = (- BvℓR) 2R = B2v2ℓ2R.

20,40

Таким образом, мы видим, что Ppull + Pdissipated = 0, Ppull + Pdissipated = 0, что означает, что мощность сохраняется в системе, состоящей из цепи и агента, который тянет стержень. Таким образом, в этой системе сохраняется энергия.

Магнетизм — Закон индукции Фарадея

Магнетизм — Закон индукции Фарадея — Физика 299

« Перестань говорить Богу, что делать с его кубиками. «

Нильс Бор

• До сих пор мы рассматривали электричество и магнетизм как почти отдельные предметы. Теперь мы приступим к обсуждению явлений, которые показать, что электричество и магнетизм неразрывно связаны, отсюда термин электромагнетизм . Первое из этих свойств известен как закон Фарадея Индукционная .

Формально, время независимое электрические и магнитные свойства можно описать, рассматривая электричество и магнетизм как в значительной степени отдельные явления. Однако, когда зависимость от времени становится частью «уравнения» мы обнаруживаем, что электрические и магнитные свойства становятся неразрывно связаны — электромагнетизм.

• Этот закон удобно записать в терминах магнитного потока, который определяется так же, как электрический поток.

где S — поверхность, по которой идет поток. оценен.

Для постоянного B, перпендикулярно поверхности, Φ _B = BA, где A — площадь поверхности S.

Магнитный поток Φ _B равен важно, что у него есть собственная единица Вебера — 1 Вебер = 1 т.м ² . В первые дни электромагнетизм было принято измерять магнитный ( B ) поле по Веберу / м ² .

• В терминах закона индукции магнитного потока Фарадея предоставлено,

Индуцированная электродвижущая сила ( ЭДС ) в цепи равна скорости изменения магнитного поток через цепь.

ЭДС не сила, скорее его можно рассматривать как индуцированное напряжение в замкнутом контуре.

Фарадей экспериментально определил свой закон в изложенной выше форме.

---

• Один из самых простых способов изменить магнитный поток через цепь — перемещать постоянный (стержневой) магнит к цепи или от нее, как показано на диаграммы ниже.

(а) Магнитный поток проходит по цепи, но не меняется со временем, поэтому нет индуцированной ЭДС и поэтому нет индуцированной Текущий.

(б) Поток через контур увеличивается с увеличением время, вызывающее наведенную ЭДС и ток.

(c) По мере того, как магнит движется быстрее, скорость изменение потока со временем увеличивается, вызывая большее ЭДС и ток.

(d) Когда магнит удаляется от цепи поток уменьшается со временем, поэтому наведенная ЭДС и ток поменяны местами.

---

• Причина изменения магнитного потока (поля) не ограничивается постоянными магнитами. В магнитное поле из-за второй цепи может производить аналогичный эффект, как описано в примерах ниже.
  

На диаграмме справа ток в левой цепи постоянный, но поток через другую цепь увеличивается как две цепи становятся ближе.

В положении слева оба контура стационарные. Течение в левая цепь изначально равна нулю, но быстро увеличивается до постоянного значения, когда переключатель находится в закрыто.Когда ток достигает своего финала (постоянное) значение потока через правую цепь увеличивается со временем, таким образом, по формуле Фарадея Закон, вызывающий кратковременный импульс индуцированного ток во второй цепи. Когда выключатель разомкнут поток в правой цепи быстро уменьшается, вызывая короткий индуцированный ток импульс в обратном направлении.

---

Мне сказали, что у меня кровь группы А, но это был Тип О.

Доктор К. Л. Дэвис
Физический факультет
Университет Луисвилля
электронная почта : c.l.davis@louisville.edu

Определение индукции в физике.

Примеры индукции по следующим темам:

• Индуктивность

  • В частности, в случае электроники, индуктивность — это свойство проводника, благодаря которому изменение тока в проводнике создает напряжение как в самом проводе (собственная индуктивность , ), так и в любых соседних проводниках (взаимная индуктивность ).
  • Самоиндуктивность , эффект закона Фарадея индукции устройства на самом себе, также существует.
  • , где L — собственная индуктивность устройства.
  • Единицы собственной индуктивности — это Генри (Гн), как и для взаимной индуктивности .
  • Индуктивность L обычно заданная величина.

• Индуктивность

  • Ответ — да, и эта физическая величина называется индуктивностью .
  • Взаимная индуктивность — это эффект закона Фарадея индукции для одного устройства на другое, такого как первичная катушка, при передаче энергии вторичной обмотке в трансформаторе.
  • Чем больше взаимная индуктивность M, тем эффективнее связь.
  • Самоиндуктивность , эффект закона Фарадея индукции устройства на самом себе, также существует.
  • , где L — собственная индуктивность устройства.

• Закон индукции Фарадея и закон Ленца

  • Это соотношение известно как закон индукции Фарадея .
  • Знак минус в законе индукции Фарадея очень важен.
  • Когда изменение начинается, закон говорит, что индукция, противодействует и, таким образом, замедляет изменение.
  • Это один из аспектов закона Ленца — индукция , препятствует любому изменению потока.
  • Выразите закон Фарадея индукции в форме уравнения

• Изменение магнитного потока создает электрическое поле

  • Закон индукции Фарадея гласит, что изменение магнитного поля создает электрическое поле: $ \ varepsilon = — \ frac {\ partial \ Phi_B} {\ partial t} $.
  • Мы изучили закон Фарадея индукции в предыдущих атомах.
  • Вкратце, закон гласит, что изменение магнитного поля $ (\ frac {d \ Phi_B} {dt}) $ создает электрическое поле $ (\ varepsilon) $, закон индукции Фарадея выражается как $ \ varepsilon = — \ frac {\ partial \ Phi_B} {\ partial t} $, где $ \ varepsilon $ — индуцированная ЭДС, а $ \ Phi_B $ — магнитный поток.
  • Следовательно, мы получаем альтернативную форму закона Фарадея индукции : $ \ nabla \ times \ vec E = — \ frac {\ partial \ vec B} {\ partial t} $.Это также называют дифференциальной формой закона Фарадея.
  • Эксперимент Фарадея, демонстрирующий индукцию между витками провода: жидкая батарея (справа) обеспечивает ток, который течет через небольшую катушку (A), создавая магнитное поле.

• Цепи RL

  • Напомним, что индукция — это процесс, в котором ЭДС индуцируется изменением магнитного потока.
  • Взаимная индуктивность является результатом закона индукции одного устройства на другом по закону , в то время как собственная индуктивность является результатом закона индукции устройства на самом себе по закону Фарадея.
  • Катушка индуктивности — это устройство или компонент схемы, обладающий собственной индуктивностью .
  • Характерное время $ \ tau $ зависит только от двух факторов: индуктивности , L и сопротивления R.
  • Чем больше индуктивность L, тем она больше, что имеет смысл, поскольку большая индуктивность очень эффективна в противодействии изменению.

• Звуковые системы, компьютерная память, сейсмограф, GFCI

  • Микрофон работает за счет индукции , поскольку вибрирующая мембрана индуцирует ЭДС в катушке.
  • Затем динамик приводится в действие модулированными электрическими токами (создаваемыми усилителем), которые проходят и намагничивают (на индуктивность , ) катушку динамика из медной проволоки, создавая магнитное поле.
  • Это делается с помощью индуктивности .

• Наведенный заряд

  • Электростатическая индукция — это перераспределение зарядов внутри объекта, которое происходит как реакция на присутствие ближайшего заряда.
  • Электростатическая индукция — это перераспределение заряда внутри объекта, которое происходит как реакция на ближайший заряд.

• Энергия, запасенная в магнитном поле

  • В простом генераторе используется индуктивность для создания тока путем вращения магнита внутри катушки с проволокой.
  • Если ток изменяется, изменение магнитного потока пропорционально скорости изменения тока во времени с коэффициентом, называемым индуктивностью (L).
  • (уравнение 1), где L — индуктивность , в единицах Генри, а I — ток в единицах Ампера.
• Цепь серии

  RLC: на больших и малых частотах; Фазорная диаграмма

  • Отклик цепи RLC зависит от частоты возбуждения — на достаточно больших частотах преобладает индуктивный член , (емкостной).
  • Если частота достаточно высока, так что XL также намного больше, чем R, то в импедансе Z преобладает индуктивный член .

• Движущийся ЭДС

  • Как было замечено в предыдущих атомах, любое изменение магнитного потока индуцирует электродвижущую силу (ЭДС), противодействующую этому изменению — процесс, известный как индукция .