Физика эдс самоиндукции. Явление самоиндукции

Урок 87.11 Лисицкий П.А.

Раздел программы: «Магнитное поле»

Тема урока: «Явление самоиндукции. Индуктивность. Энергия магнитного поля. Решение задач»

Цель: ученик должен усвоить сущность явления самоиндукции и закона самоиндукции, а также понятие индуктивности и энергии магнитного поля.

Задачи урока.

Образовательные:

Раскрыть сущность явления самоиндукции;

Вывести закон самоиндукции и дать понятие индуктивности, а также вывести формулу энергии магнитного поля графическим способом.

Воспитательные:

Показать значение причинно- следственных связей в познаваемости явлений.

Развития мышления:

Работать над формированием умений выделять главную причину, влияющую на результат (формировать «зоркость» в поисках);

Продолжить работу по формированию умений делать выводы.

Тип урока: урок изучения нового материала.

Образовательные технологии: элементы технологии укрупнения дидактических единиц (УДЕ).

Ход урока.

1.Инициализация урока (взаимное приветствие учителя и учащихся, готовность к уроку и т.п.)

2.Знакомство с планом урока.

Сначала мы вместе восхитимся глубокими знаниями – а для этого проведём маленький устный опрос. Потом попробуем ответить на вопрос в чём суть явления самоиндукции? Что такое индуктивность? Как вычислить энергию магнитного поля? Затем потренируем мозги - порешаем задачи. И наконец, вытащим из тайников памяти кое- что ценное – явление электромагнитной индукции (тема для повторения).

2.Контролирующая беседа по теме «Явления электромагнитной индукции».

Что называют явлением электромагнитной индукции?

Формула закона электромагнитной индукции.

Как читается закон электромагнитной индукции?

Формула индукционного тока, если контур замкнут?

Формула магнитного потока.

Формула модуля вектора магнитной индукции в катушке.

3.Работа над изучаемым материалом.

Проблемный опыт.

Собрана электрическая цепь. Замкнём её и отрегулируем с помощью реостата, чтобы лампочки 1 и 2 горели одинаковым накалом. Теперь разомкнём цепь и вновь её замкнём. Лампочка 1, в цепи которой находится контур (катушка с большим числом витков медного провода), загорится полным накалом значительно позже лампочки 2.

При размыкании цепи, наоборот, лампочка 1, в цепи которой находится контур (катушка с большим числом витков медного провода), потухнет значительно позже лампочки 2.

Проецируется через компьютер и проектор слайды, для того чтобы акцентировать внимание на ключевом опыте темы.

Формулируется проблема: В чём причина данного явления?

Сразу же после замыкания ключа напряжение подаётся на обе ветви АВ и СD. В ветви CD лампочка 2 загорится практически мгновенно, т.к. число витков в реостате мало, то магнитное поле достигает своего максимального значения практически сразу. Другое дело ветви АВ. Магнитного поля в катушке до замыкания ключа К на было, а после замыкания ключа возникает ток, который возрастает. При этом возрастает и индукция магнитного поля, которое пронизывает собственные ветви катушки. В каждом из многочисленных витков наводится e i , направленная против внешней ЭДС (e)

Самоиндукцией называют явление возникновения ЭДС в том же замкнутом контуре, по которому течёт переменный ток. Найдём формулу индуктивности для данной катушки.

Магнитный поток

Модуль вектора магнитной индукции в катушке B=m 0 mnI

Число витков на единицу длины тогда магнитный поток в катушке равен , или Ф=LI (1)

Индуктивность это физическая величина, которая постоянна для данной катушки и равна , [L]=1Гн= (2)

Индуктивность проводника равна 1Гн, если в нём при изменении силы тока на 1А за 1с наводится ЭДС самоиндукции 1В.

Физический смысл индуктивности. Индуктивность- это физическая величина, численно равная ЭДС самоиндукции, возникающей в контуре при изменении силы тока на 1 Ампер за одну секунду.

Индуктивность подобна электроёмкости зависит от геометрических факторов: размеров проводника и его формы, но не зависит непосредственно от силы тока в проводнике. Кроме геометрии проводника, индуктивность зависит от магнитных свойств среды (), в которой находится проводник.

Магнитный поток в катушке прямо пропорционален силе ток. Закон самоиндукции ЭДС индукции, возникающая в катушке прямо пропорциональна скорости изменения силы тока, взятой с обратным знаком. Формула закона самоиндукции (3) Вывод формулы энергии магнитного поля графическим методом. Из рисунка видно, что энергия магнитного поля равна: Единица измерения величины будет единица измерения энергии, т.е. джоуль, отсюда учитывая ф.(1), получим: (4) Объёмной плотностью энергии называют величину, определяемую энергией, приходящей на единицу объёма. Объёмная плотность энергии магнитного поля равна: (5)

Используя формулы и B=m 0 mnI. Отсюда .

Тогда энергия магнитного поля будет равна:

Объёмная плотность энергии (магнитное давление) будет равна (6).

Применим образовательную технологию УДЕ. Для этого рассмотрим таблицу аналогов между механическими, электрическими и магнитными величинами.

Механические	Магнитные
Явление инерции	Явление самоиндукции индуктивность

Механические	Электрические
Явление деформации Коэффициент жёсткости	Явление зарядки конденсатора Электроёмкость

Подчёркиваем, что магнитный поток аналогичен импульсу частицы

Закрепление учебного материала.

Какое явление называют самоиндукцией?

Объясните, почему в замкнутом контуре, по которому течёт меняющийся либо по величине, либо по направлению ток, неизбежно возникает ещё один ток, который назвали током самоиндукции?

Какая величина называется магнитным давлением?

Решение задач.

Задача№1. Как будет меняться ток при замыкании цепи, схема которой изображена на рисунке.

Если бы в цепи не было индуктивности, то сила тока возрастала бы до максимального значения практически мгновенно. В действительности же сила тока постепенно достигает максимума за время t 1 . Связанно это с тем, что в катушке ЭДС самоиндукции . Сила тока теперь определяется не только ЭДС источника но и ЭДС индукции. Индукционный ток направлен против тока, создаваемого источником тока при замыкании.

Задача№2 Какова индуктивность катушки, если при постепенном изменении в ней силы тока от 5 до 10А за 0,1 с возникает ЭДС самоиндукции, равная 20В?

Задача№3 В катушке с индуктивностью 0,6Гн сила тока равна 20А. Какова энергия магнитного поля этой катушки? Как изменится энергия поля, если сила тока уменьшится вдвое?

Задание на дом и его инструктаж: §11.6; №5-6 упр.22 Итоги урока. Рефлексия.

Несомненно, задачный подход, новые технологии (УДЕ) преодоление ППБ, научные методы их применения при решении задач, значение которых так велико, откроет еще не одну тайну вдумчивому исследователю, занимающемуся развитием интеллекта одаренных школьников.

Индуктивность
Единица индуктивности
Самоиндукция
Энергия магнитного поля

Индуктивность. Электрический ток, проходящий по проводнику, создает вокруг него магнитное поле. Магнитный поток Ф через контур из этого проводника пропорционален модулю индукции 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:

Ф = LI . (55.1)

Коэффициент пропорциональности L между силой тока I в контуре и магнитным потоком Ф , создаваемым этим током, называется индуктивностью. Индуктивность зависит от размеров и формы проводника, от магнитных свойств среды, в которой находится проводник.

Единица индуктивности. За единицу индуктивности в Международной системе принимается генри (Гн). Эта единица определяется на основании формулы (55.1):

Индуктивность контура равна 1 Гн, если при силе постоянного тока 1 А магнитный поток через контур равен 1 Вб:

Самоиндукция. 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. Явление возникновения ЭДС индукции в электрической цепи в результате изменения силы тока в этой цепи называется самоиндукцией.
В соответствии с правилом Ленца ЭДС самоиндукции препятствует нарастанию силы тока при включении и убыванию силы тока при выключении цепи.
Явление самоиндукции можно наблюдать, собрав электрическую цепь из катушки с большой индуктивностью, резистора, двух одинаковых ламп накаливания и источника тока (рис. 197).

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 , возникающая в катушке с индуктивностью L , по закону электромагнитной индукции равна

ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна индуктивности катушки и скорости изменения силы тока в катушке.
Используя выражение (55.3), можно дать второе определение единицы индуктивности: элемент электрической цепи обладает индуктивностью в 1 Гн, если при равномерном изменении силы тока в цепи на 1 А за 1 с в нем возникает ЭДС самоиндукции 1 В.

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.
Энергию магнитного поля катушки индуктивности можно вычислить следующим способом. Для упрощения расчета рассмотрим такой случай, когда после отключения катушки от источника ток в цепи убывает со временем по линейному закону. В этом случае ЭДС самоиндукции имеет постоянное значение, равное

где t - промежуток времени, за который сила тока в цепи убывает от начального значения I до 0.
За время t при линейном убывании силы тока от I до 0 в цепи проходит электрический заряд:

поэтому работа электрического тока равна

Эта работа совершается за счет энергии магнитного поля катушки.
Энергия магнитного поля катушки индуктивности равна половине произведения ее индуктивности на квадрат силы тока в ней:

(по материалам пособия "Физика - справочные материалы" Кабардин О.Ф.)

Электрический ток, проходящий по замкнутому контуру, создаёт в окружающем пространстве магнитное поле, часть линий которого пересекает поверхность, ограниченную этим же контуром. Таким образом, получается, что контур пронизывается своим собственным потоком. Величина потока пропорциональна величине магнитной индукции, которая в свою очередь пропорциональна силе тока, протекающего по контуру. Следовательно, величина потока прямопропорциональна силе тока.

Ф~I, Ф=LI

где коэффициент пропорциональности L – называется индуктивностью контура .

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

Индуктивность – скалярная физическая величина, равная собственному магнитному потоку, пронизывающему контур, при силе тока в контуре 1 А.

Так как модуль магнитной индукции магнитного поля внутри соленоида
Знак «-» соответствует правилу Ленца.

Отсюда следует, что индуктивность численно равна ЭДС самоиндукции, возникающей в контуре при изменении силы тока на 1 А за 1 с.

Подключим контур к источнику тока. В контуре за счёт разности потенциалов на зажимах источника начинается перемещение зарядов. Ток в контуре возрастает. Следовательно, в контуре возникает ЭДС самоиндукции, препятствующая нарастанию тока. Работа источника тока по преодолению ЭДС самоиндукции и установлению тока идёт на создание магнитного поля.

Магнитное поле, также как электрическое, является носителем энергии. Энергия магнитного поля равна работе сторонних сил источника против ЭДС самоиндукции.

Объёмной плотностью энергии называется энергия, заключённая в единице объёма

Билет 14

Свободные электромагнитные колебания. Амплитуда, частота и период колебаний. Фаза калебания. Энергетические преобразования при колебаниях.

Колебанием называется процесс, при котором физические величины принимает одинаковые значения через равные промежутки времени.

Колебания характеризуются периодом и частотой.

Период Т – длительность одного колебания.

Частота n - число колебаний в единицу времени.

Гармоническими колебаниями называются колебания, при которых изменение физических величин происходит по закону синуса или косинуса.

х(t)=Аcos(wt+j 0) или х(t)=Аsin(wt+j 0), где х(t) – отклонение колеблющейся величины от положения равновесия; А – максимальное отклонение от положения равновесия или амплитуда ; w - циклическая или круговая частота , которая связана с периодом и частотой соотношениями w=2p/T, w=2pn; j=(wt+j 0) – фаза колебания, показывающая, какая часть периода прошла от начала колебаний; j 0 - начальная фаза.

Единицы измерения [n]=с -1 , [w]=рад/с, [j]=рад.

Электрическая цепь, состоящая из катушки индуктивности и ёмкости, называется колебательным контуром, так как в ней могут происходить свободные электромагнитные колебания.

Свободные электромагнитные колебания в контуре – это периодические изменения заряда на конденсаторе, силы тока в контуре и напряжения на обоих элементах контура, происходящие без потребления энергии от внешних источников.

Пусть в начальный момент времени на конденсаторе имеется заряд q 0 , а, следовательно, и напряжение на конденсаторе, и энергия электрического поля внутри конденсатора. С течением времени конденсатор начинает разряжаться. В цепи появляется ток. Заряд конденсатора, напряжение и энергия электрического поля уменьшаются. Нарастание тока в катушке обусловливает возникновение в катушке ЭДС самоиндукции, поэтому нарастание тока и разрядка конденсатора происходят не мгновенно, а по гармоническому закону.

В момент полной разрядки конденсатора сила тока и, следовательно, энергия магнитного поля в катушке достигают максимального значения.

Так как конденсатор разряжен, ток начинает убывать. Убывание тока в катушке вызывает появление ЭДС самоиндукции, стремящейся поддержать убывающий ток. Поэтому убывание тока происходит не мгновенно, а по гармоническому закону, при этом конденсатор перезаряжается.

В момент, когда ток в цепи становится равным нулю, заряд на конденсаторе, напряжение и энергия электрического поля в конденсаторе максимальны. Полярность заряда обкладок конденсатора противоположна первоначальной.

Период свободных электромагнитных колебаний определяется формулой Томсона

Т=2pÖLC.

Заряд на конденсаторе, ток в цепи, напряжение на обоих элементах контура изменяются по гармоническому закону.

q=q 0 coswt; U=U 0 coswt; I=-I 0 sinwt

Поскольку тепловые потери отсутствуют, то полная энергия идеального контура, равная сумме энергий электрического поля в конденсаторе и магнитного поля в катушке, остаётся постоянной.

W=W эл +W маг =CU 2 /2 + LI 2 /2

В моменты, когда ток в цепи отсутствует, вся энергия сосредоточена в конденсаторе и равна CU 2 max /2.

Когда конденсатор разряжен, вся энергия сосредоточена в катушке и равна LI 2 max /2.

В результате свободных электромагнитных колебаний в контуре происходит постоянный переход электрической энергии в магнитную и обратно, при этом полная энергия остаётся постоянной.

Возникновение свободных колебаний в контуре обусловлено явлением самоиндукции.

Преобразования переменного тока. Повышающие и понижающие трансформаторы, их устройство и принцип действия. Передача электрической энергии на расстояние.

Трансформатор – это электротехническое устройство, служащее для преобразования (повышения или понижения) переменного напряжения.

Состоит трансформатор из двух обмоток – первичной и вторичной, которые намотаны на общий сердечник.

Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции.

На первичную обмотку подаётся преобразуемое переменное напряжение. Переменный магнитный поток индуцирует в каждом витке первичной обмотки ЭДС самоиндукции e si . Если этот магнитный поток, благодаря наличию сердечника, практически не рассеивается и пронизывает вторичную обмотку, то в каждом витке вторичной обмотки возникает ЭДС индукции e i = e si . Значения ЭДС, возникающей в первичной и вторичной обмотках, равны Е 1 =n 1 e si и Е 2 =n 2 e i соответственно. Следовательно, отношение ЭДС в обмотках равно отношению числа витков n 1 /n 2 .

Отношение числа витков в первичной обмотке к числу витков во вторичной называется коэффициентом трансформации k. Если k>1, то трансформатор понижающий; если k<1, то – повышающий.

Режимом холостого хода трансформатора называется режим с разомкнутой вторичной обмоткой. Тогда напряжение на вторичной обмотке U 2 = n 2 e i ., а на первичной U 1 =Е 1 .

Отношения напряжений на первичной и вторичной обмотках равно отношению числа витков этих обмоток U 1 /U 2 =n 1 /n 2 .

Рабочим режимом трансформатора называется режим, при котором в цепь его вторичной обмотки включена нагрузка. Тогда U 2 =Ei- I 2 R обмот., где I 2 - ток, протекающий во вторичной обмотке.

КПД современных трансформаторов 95-99,5%. Потери энергии происходят из-за выделения тепла в обмотках трансформатора, рассеяния магнитного потока и при перемагничивании сердечника.

Трансформаторы широко используются при передаче электроэнергии на большие расстояния, так как тепловые потери пропорциональны квадрату силы тока, то более выгодно передавать электроэнергию при малом токе.

На электростанции устанавливается повышающий трансформатор, уменьшающий силу тока, а на подстанции, от которой идёт энергия к потребителю, понижающий трансформатор.

БИЛЕТ 18

Электромагнитная и квантовая теории света. Формула Планка. Корпускулярно-волновой дуализм. Энергия, импульс и масса фотона.

После создания электромагнитной теории Максвелл обратил внимание на то, что скорость распространения света в вакууме совпадает со скоростью распространения электромагнитных волн. Он выдвинул гипотезу об электромагнитной природе света, которая была подтверждена опытами. Согласно электромагнитной теории света, всякое световое излучение является электромагнитными волнами.Частота световых волн находится в интервале от 4 10 14 до 7,5 10 14 Гц.

Волновая теория хорошо объясняла явления, связанные с распространением света. Например, интерференцию, дифракцию, поляризацию, отражение, преломление. Однако, явления, связанные с взаимодействием света с веществом, с испусканием и поглощением света, объяснить на основе этой теории нельзя.

Макс Планк предположил, что свет излучается не в виде волн, а в виде определённых и неделимых порций энергии, которые он назвал квантами.

Наименьшая порция энергии, которую несёт излучение с частотой n, определяется по формуле Планка

где h=6,63 10 -34 Дж с – постоянная Планка, ħ=1,05 10 -34 Дж с, n и w -частота и циклическая частота излучения.

Развивая теорию Планка, Эйнштейн высказал предположение, что свет и распространяется, и поглощается также отдельными порциями, т.е. распространяющийся свет представляет собой «набор» движущихся элементарных частиц – фотонов. Так была создана квантовая теория света.

План – конспект урока

« Самоиндукция . И ндуктивность . Энергия магнитного поля тока»

Выполнила студентка 5 курса

группы ФМ-112

очной формы обучения

физико-математического образования

Кежутина Ольга Владиславовна

Дата проведения: 23.09.16

Владимир 2016

Тема урока: Самоиндукция . И ндуктивность .

Класс: «11б»

Тип урока : урок усвоения новых знаний.

Вид урока: урок-лекция.

Цель : сформировать представление о том, что изменение силы тока в проводнике создает вихревое воле, которое может или ускорять или тормозить движущиеся электроны; сформировать представление об энергии, которой обладает электрический ток в проводнике и энергии магнитного поля, созданного током.

Задачи:

Образовательные: Повторить знание учащихся о явление электромагнитной индукции, углубить их; на этой основе изучить явление самоиндукции. Научить использовать закон электромагнитной индукции для объяснения явлений. Ввести формулу для расчета энергии магнитного поля тока и понятие электромагнитного поля.

Воспитательные: Воспитать интерес к предмету, трудолюбие и умение внимательно оценивать ответы товарищей, умения работать коллективно и в парах .

Развивающие: Развитие физического мышления учащихся, расширение понятийного аппарата учащихся, формирование умений анализировать информацию, делать выводы из наблюдений и опытов.

Оборудование:

Ход урока:

Организационный этап.

11.20 – 11.21

Здравствуйте, ребята, садитесь.

Ученики настраиваются на урок.

Актуализация знаний.

11.22-11.28

Проверка домашнего задания, если у учеников возникли вопросы, то разбираем их.

Фронтальный опрос:

Какое поле называют вихревым электрическим полем?

Что является источником вихревого поля?

Что такое токи Фуко? Приведите примеры их использования.

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

Ученики проверяют домашнее задание, отвечают на вопросы:

Поле которое порождает изменяющееся во времени, магнитное поле.

Изменяющееся во времени, магнитное поле.

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

От скорости движения проводника в однородном магнитном поле.

Примерные наводящие вопросы:

4.Вспомните формулу, по которой можно найти ЭДС индукции в движущихся проводниках.

Мотивационный этап.

11.29-11.31

Основы электродинамики были заложены Ампером в 1820 году. Работы Ампера вдохновили многих инженеров на конструирование различных технических устройств, таких как электродвигатель (конструктор Б.С. Якоби), телеграф (С. Морзе), электромагнит, конструированием которого занимался известный американский ученый Генри.

Джозеф Генри прославился благодаря созданию серии уникальных мощнейших электромагнитов с подъемной силой от 30 до 1500 кг при собственной массе магнита 10 кг. Создавая различные электромагниты, в 1832 году ученый открыл новое явление в электромагнетизме – явление самоиндукции. Именно этому явлению посвящен данный урок.

Запись темы на доске: « Самоиндукция . И ндуктивность . Энергия магнитного поля тока ».

Изучение нового материала.

11.32-11.45

Генри изобретал плоские катушки из полосовой меди, с помощью которых добивался силовых эффектов, выраженных более ярко, чем при использовании проволочных соленоидов. Ученый заметил, что при нахождении в цепи мощной катушки ток в этой цепи достигает своего максимального значения гораздо медленнее, чем без катушки.

Опыт: На рисунке изображена электрическая схема экспериментальной установки, на основе которой можно продемонстрировать явление самоиндукции. Электрическая цепь состоит из двух параллельно соединенных лампочек, подключенных через ключ к источнику постоянного тока. Последовательно с одной из лампочек подключена катушка. После замыкания цепи видно, что лампочка, которая соединена последовательно с катушкой, загорается медленнее, чем вторая лампочка.

При отключении источника лампочка, подключенная последовательно с катушкой, гаснет медленнее, чем вторая лампочка.

Рассмотрим процессы, происходящие в данной цепи при замыкании и размыкании ключа.

1. Замыкание ключа.

В цепи находится токопроводящий виток. Пусть ток в этом витке течет против часовой стрелки. Тогда магнитное поле будет направлено вверх.

Таким образом, виток оказывается в пространстве собственного магнитного поля. При возрастании тока виток окажется в пространстве изменяющегося магнитного поля собственного тока. Если ток возрастает, то созданный этим током магнитный поток также возрастает. Как известно, при возрастании магнитного потока, пронизывающего плоскость контура, в этом контуре возникает электродвижущая сила индукции и, как следствие, индукционный ток. По правилу Ленца этот ток будет направлен таким образом, чтобы своим магнитным полем препятствовать изменению магнитного потока, пронизывающего плоскость контура.

То есть, для рассматриваемого на рисунке 4 витка индукционный ток должен быть направлен по часовой стрелке, тем самым препятствуя нарастанию собственного тока витка. Следовательно, при замыкании ключа ток в цепи возрастает не мгновенно, благодаря тому, что в этой цепи возникает тормозящий индукционный ток, направленный в противоположную сторону.

2. Размыкание ключа.

При размыкании ключа ток в цепи уменьшается, что приводит к уменьшению магнитного потока сквозь плоскость витка. Уменьшение магнитного потока приводит к появлению ЭДС индукции и индукционного тока. В этом случае индукционный ток направлен в ту же сторону, что и собственный ток витка. Это приводит к замедлению убывания собственного тока.

Вывод: при изменении тока в проводнике возникает электромагнитная индукция в этом же проводнике, что порождает индукционный ток, направленный таким образом, чтобы препятствовать любому изменению собственного тока в проводнике. В этом заключается суть явления самоиндукции. Самоиндукция – это частный случай электромагнитной индукции.

Самоиндукция – это явление возникновения электромагнитной индукции в проводнике при изменении силы тока, протекающего сквозь этот проводник.

Индуктивность. Модуль вектора индукции В магнитного поля, создаваемого током, пропорционален силе тока. Так как магнитный поток Ф пропорционален В, то Ф ~ В~ I.

Можно, следовательно, утверждать, что

Ф = LI,

где L - коэффициент пропорциональности между током в проводящем контуре и магнитным потоком.

Величину L называют индуктивностью контура, или его коэффициентом самоиндукции.

Используя закон электромагнитной индукции и полученное выражение, получаем равенство

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

Индуктивность, подобно электроемкости, зависит от геометрических факторов: размеров проводника и его формы, но не зависит непосредственно от силы тока в проводнике. Кроме геометрии проводника, индуктивность зависит от магнитных свойств среды, в которой находится проводник.

Очевидно, что индуктивность одного проволочного витка меньше, чем у катушки (соленоида), состоящей из N таких же витков, так как магнитный поток катушки увеличивается в N раз.

Единицу индуктивности в СИ называют генри (обозначается Гн). Индуктивность проводника равна 1 Гн, если в нем при равномерном изменении силы тока на 1 А за 1 с возникает ЭДС самоиндукции 1 В:

С явлением самоиндукции человек сталкивается ежедневно. Каждый раз, включая или выключая свет, мы тем самым замыкаем или размыкаем цепь, при этом возбуждая индукционные токи. Иногда эти токи могут достигать таких больших величин, что внутри выключателя проскакивает искра, которую мы можем увидеть.

Аналогия между самоиндукцией и инерцией. Явление самоиндукции подобно явлению инерции в механике. Так, инерция приводит к тому, что под действием силы тело не мгновенно приобретает определенную скорость, а постепенно. Тело нельзя мгновенно затормозить, как бы велика ни была тормозящая сила. Точно так же за счет самоиндукции при замыкании цепи сила тока не сразу приобретает определенное значение, а нарастает постепенно. Выключая источник, мы не прекращаем ток сразу. Самоиндукция поддерживает его некоторое время, несмотря на сопротивление цепи.

Для создания электрического тока и, следовательно, его магнитного поля необходимо выполнить работу против сил вихревого электрического поля. Эта работа (согласно закону сохранения энергии) равна энергии электрического тока или энергии магнитного поля тока.

Записать выражение энергии тока I , текущего по цепи с индуктивностью L , т. е. для энергии магнитного поля тока, можно на основании аналогии между инерцией и самоиндукцией.

Если самоиндукция аналогична инерции, то индуктивность в процессе создания тока играет ту же роль, что и масса при увеличении скорости в механике. Роль скорости тела в электродинамике играет сила тока как величина, характеризующая движение электрических зарядов.

Тогда энергию тока можно считать величиной подобной кинетической энергии в механике:

Энергия магнитного поля тока.

Отвечают на вопросы, вступают в дискуссию, делают выводы, делают записи в тетрадях.

Закрепление изученного материала

11.46-11.56

Предлагает решить задачу:

Решают задачи у доски и на местах.

Подведение итогов. Домашнее задание.

11.57-11.58

Выставление и обоснование отметок. Запись и обсуждение домашнего задания.

Д/З: §14-16, № 932, 934, 938.

Записывают домашнее задание

Рефлексия

11.59-12.00

Организуется беседа с целью осмысления участниками урока своих собственных действий в ходе урока.

Вопросы:

1. Что нового вы для себя узнали на уроке?

2. Понятен ли был материал урока?

3. Понравился ли вам урок?

Принимают участие в беседе

№931. Какова индуктивность контура, если при силе тока 5 А в нем возникает магнитный поток 0,5 мВб?

№933. Найти индуктивность проводника, в котором при равномерном изменении силы тока на 2 А в течение 0,25 с возбуждается ЭДС самоиндукции 20 мВ.

№937. В катушке индуктивностью 0,6 Гн сила тока равна 20 А. Какова энергия магнитного поля этой катушки? Как изменится энергия поля, если сила тока уменьшится вдвое?

№939. Найти энергию магнитного поля соленоида, в котором при силе тока 10 А возникает магнитный поток 0,5 Вб.

№932. Какой магнитный поток возникает в контуре индуктивностью 0,2 мГн при силе тока 10 А?

№934. Какая ЭДС самоиндукции возбуждается в обмотке электромагнита индуктивностью 0,4 Гн при равномерном изменении силы тока в ней на 5 А за 0,02 с?

№938. Какой должна быть сила тока в обмотке дросселя индуктивностью 0,5 Гн, чтобы энергия поля оказалась равной 1 Дж?

Электрическое поле, возникающее при изменении магнит­ного поля, имеет совсем другую структуру, чем электростати­ческое. Оно не связано непосредственно с электрическими за­рядами, и его линии напряженности не могут на них начи­наться и кончаться. Они вообще нигде не начинаются и не кончаются, а представляют собой замкнутые линии, подобные линиям индукции магнитного поля. Это так называемое вихревое электрическое поле. Может возник­нуть вопрос: а почему, собственно, это поле называется элект­рическим? Ведь оно имеет другое происхождение и другую конфигурацию, чем статическое электрическое поле. Ответ прост: вихревое поле действует на заряд q точно так же, как и электростатическое, а это мы считали и считаем главным свойством поля. Сила, действующая на заряд, по-прежнему равна F = qE, где Е - напряженность вихревого поля.

Если магнитный поток создается од­нородным магнитным полем, сконцент­рированным в длинной узкой цилиндри­ческой трубке радиусом г 0 (рис. 5.8), то из соображений симметрии очевидно, что линии напряженности электрическо­го поля лежат в плоскостях, перпенди­кулярных линиям В, и представляют со­бой окружности. В соответствии с прави­лом Ленца при возрастании магнитной

индукции линии напряженности E образуют левый винт с направлением магнитной индукции B.

В отличие от статического или стационарного электриче­ского поля работа вихревого поля на замкнутом пути не равна нулю. Ведь при перемещении заряда вдоль замкнутой линии напряженности электрического поля работа на всех участках пути имеет один и тот же знак, так как сила и перемещение совпадают по направлению. Вихревое электрическое поле, так же как и магнитное поле, не потенциальное.

Работа вихревого электрического поля по перемещению единичного положительного заряда вдоль замкнутого непо­движного проводника численно равна ЭДС индукции в этом проводнике.

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

При самоиндукции проводящий контур играет двоякую роль: по нему протекает ток, вызывающий индукцию, и в нем же появляется ЭДС индукции. Изменяющееся магнитное по­ле индуцирует ЭДС в том самом проводнике, по которому течет ток, создающий это поле.

В момент нарастания тока напряженность вихревого элект­рического поля в соответствии с правилом Ленца направлена против тока. Следовательно, в этот момент вихревое поле пре­пятствует нарастанию тока. Наоборот, в момент уменьшения тока вихревое поле поддерживает его.

Это приводит к тому, что при замыкании цепи, содержа­щей источник постоянной ЭДС, определенное значение силы тока устанавливается не сразу, а постепенно с течением време­ни (рис. 5.13). С другой стороны, при отключении источника ток в замкнутых контурах прекращается не мгновенно. Воз­никающая при этом ЭДС самоиндукции может превышать ЭДС источника, так как изменение тока и его магнитного поля при отключении источника происходит очень быстро.

Явление самоиндукции можно на­блюдать на простых опытах. На рисун­ке 5.14 показана схема параллельного включения двух одинаковых ламп. Од­ну из них подключают к источнику че­рез резистор R, а другую - последова­тельно с катушкой L с железным сер­дечником. При замыкании ключа первая лампа вспыхивает практиче­ски сразу, а вторая - с заметным запозданием. ЭДС самоин­дукции в цепи этой лампы велика, и сила тока не сразу дости­гает своего максимального значения. Появление ЭДС самоиндукции при размыкании можно на­блюдать на опыте с цепью, схематически показанной на рисун­ке 5.15. При размыкании ключа в катушке L возникает ЭДС самоиндукции, поддерживающая первоначальный ток. В ре­зультате в момент размыкания через гальванометр течет ток (штриховая стрелка), направленный против начального тока до размыкания (сплошная стрелка). Причем сила тока при размыкании цепи превосходит силу тока, проходящего через гальванометр при замкнутом ключе. Это означает, что ЭДС са­моиндукции ξ. больше ЭДС ξ is батареи элементов.

Явление самоиндукции подобно явлению инерции в меха­нике. Так, инерция приводит к тому, что под действием силы тело не мгновенно приобретает определенную скорость, а по­степенно. Тело нельзя мгновенно затормозить, как бы велика ни была тормозящая сила. Точно так же за счет самоиндук­ции при замыкании цепи сила тока не сразу приобретает опре­деленное значение, а нарастает постепенно. Выключая источ­ник, мы не прекращаем ток сразу. Самоиндукция его поддер­живает некоторое время, несмотря на наличие сопротивления цепи.

Далее, чтобы увеличить скорость тела, согласно законам механики, нужно совершить работу. При торможении тело са­мо совершает положительную работу. Точно так же для созда­ния тока нужно совершить работу против вихревого электри­ческого поля, а при исчезновении тока это поле само соверша­ет положительную работу.

Это не просто внешняя аналогия. Она имеет глубокий внут­ренний смысл. Ведь ток - это совокупность движущихся за­ряженных частиц. При увеличении скорости электронов со­здаваемое ими магнитное поле меняется и порождает вихре­вое электрическое поле, которое действует на сами электро­ны, препятствуя мгновенному увеличению их скорости под действием внешней силы. При торможении, напротив, вих­ревое поле стремится поддержать скорость электронов по­стоянной (правило Ленца). Таким образом, инертность элект­ронов, а значит, и их масса, по крайней мере частично, имеет электромагнитное происхождение. Масса не может быть пол­ностью электромагнитной, так как существуют электрически нейтральные частицы, обладающие массой (нейтроны и др.)

Индуктивность.

Модуль В магнитной индукции, создаваемой током в лю­бом замкнутом контуре, пропорционален силе тока. Так как магнитный поток Ф пропорционален В, то Ф ~ В ~ I.

Можно, следовательно, утверждать, что

где L - коэффициент пропорциональности между током в проводящем контуре и созданным им магнитным потоком, пронизывающим этот контур. Величину L называют индук­тивностью контура или его коэффициентом самоиндукции.

Используя закон электромагнитной индукции и выраже­ние (5.7.1), получим равенство:

(5.7.2)

Из формулы (5.7.2) следует, что индуктивность - это физическая величина, численно равная ЭДС самоиндукции, возникающей в контуре при изменении силы тока на 1 А за 1 с.

Индуктивность, подобно электроемкости, зависит от геометрических факторов: размеров проводника и его формы, но не зависит непосредственно от силы тока в проводнике. Кроме

геометрии проводника, индуктивность зависит от магнитных свойств среды, в которой находится проводник.

Единицу индуктивности в СИ называют генри (Гн). Ин­дуктивность проводника равна 1 Гн, если в нем при измене­нии силы тока на 1 А за 1с возникает ЭДС самоиндукции 1 В:

Еще одним частным случаем электромагнитной индукции является взаимная индукция. Взаимной индукцией называют возникновение индукционного тока в замкнутом контуре (катушке) при изменении силы тока в соседнем контуре (катушке). Контуры при этом неподвижны друг от­носительно друга, как, например, катушки трансформатора.

Количественно взаимная индукция характеризуется коэффициентом взаимной индукции, или взаимной индуктивностью.

На рисунке 5.16 изображены два контура. При изменении силы тока I 1 в контуре 1 в контуре 2 возникает индукционный ток I 2 .

Поток магнитной индукции Ф 1,2 , созданный током в пер­вом контуре и пронизывающий поверхность, ограниченную вторым контуром, пропорционален силе тока I 1:

Коэффициент пропорциональности L 1, 2 называется взаим­ной индуктивностью. Он аналогичен индуктивности L.

ЭДС индукции во втором контуре, согласно закону электро­магнитной индукции, равна:

Коэффициент L 1,2 определяется геометрией обоих конту­ров, расстоянием между ними, их взаимным расположением и магнитными свойствами окружающей среды. Выражается взаимная индуктивность L 1,2 , как и индуктивность L, в генри.

Если сила тока меняется во втором контуре, то в первом контуре возникает ЭДС индукции

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

Энергия магнитного поля тока.

При замыкании цепи, содержащей источник постоянной ЭДС, энергия источника тока первоначально расходуется на создание тока, т. е. на приведение в движение электронов про­водника и образование связанного с током магнитного поля, а также отчасти на увеличение внутренней энергии проводни­ка, т. е. на его нагревание. После того как установится посто­янное значение силы тока, энергия источника расходуется исключительно на выделение теплоты. Энергия тока при этом уже не изменяется.

Для создания тока необходимо затратить энергию, т. е. необходимо совершить работу. Объяс­няется это тем, что при замыкании цепи, когда ток начинает нарастать, в проводнике появляется вихревое электрическое поле, действующее против того электрического поля, которое создается в проводнике благодаря источнику тока. Для того чтобы сила тока стала равной I, источник тока должен совер­шить работу против сил вихревого поля. Эта работа и идет на увеличение энергии тока. Вихревое поле совершает отрица­тельную работу.

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

Записать выражение для энергии тока I, текущего по цепи с индуктивностью L, можно на основании аналогии между инерцией и самоиндукцией.

Если самоиндукция аналогична инерции, то индуктив­ность в процессе создания тока должна играть ту же роль, что и масса при увеличении скорости тела в механике. Роль ско­рости тела в электродинамике играет сила тока I как величи­на, характеризующая движение электрических зарядов. Если это так, то энергию тока W m можно считать величиной, подобной кинетической энергии тела - в механике, и записать в виде.