Явление электромагнитной индукции конспект кратко

Конспект по теме «Электромагнитная индукция»

Взаимная связь электрических и магнитных полей была установлена выдающимся английским физиком М. Фарадеем в 1831 г. Он открыл явление электромагнитной индукции. Оно заключается в возникновении электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменении во времени магнитного потока, пронизывающего контур.

Электрический ток, рассуждал М. Фарадей, способен намагнитить кусок железа. Не может ли магнит, в свою очередь, вызвать появление электрического тока? Долгое время эту связь обнаружить не удавалось. Трудно было додуматься до главного, а именно: движущийся магнит , или меняющееся во времени магнитное поле, может возбудить электрический ток в катушке.

Какого рода случайности могли помешать открытию, показывает следующий факт. Почти одновременно с Фарадеем получить электрический ток в катушке с помощью магнита пытался швейцарский физик Колладон. В ходе работы он пользовался гальванометром, легкая магнитная стрелка которого помещалась внутри катушки прибора. Чтобы магнит не оказывал непосредственного влияния на стрелку, концы катушки, куда Колладон вводил магнит, надеясь получить в ней ток, были выведены в соседнюю комнату и там присоединены к гальванометру. Вставив магнит в катушку, Колладон шел в соседнюю комнату и с огорчением убеждался, что гальванометр не показывает тока. Стоило бы ему все время наблюдать за гальванометром, а кого-нибудь попросить заняться магнитом, замечательное открытие было бы сделано. Но этого не случилось.

Явление электромагнитной индукции заключается в возникновении электрического тока в замкнутом контуре, который либо покоится в переменном во времени МП, либо движется в постоянном МП, при изменении магнитного потока, пронизывающего контур.,

Вспомним! Вектор магнитной индукции В характеризует магнитное поле в каждой точке пространства. Можно ввести еще одну величину, зависящую от значений вектор В не в одной точке, а во всех точках поверхности, ограниченной плоским замкнутым контуром.

Магнитным потоком Φ через площадь S контура называют величину Ф = BScosα

где B – модуль вектора магнитной индукции, S – площадь, α – угол между вектором B и нормалью n к плоскости контура.

Явление электромагнитной индукции Фарадей исследовал с помощью двух изолированных друг от друга проволочных спиралей, намотанных на деревянную катушку. Одна спираль была присоединена к гальванической батарее, а другая — к гальванометру, регистрирующему слабые токи. В моменты замыкания и размыкания цепи первой спира­ли стрелка гальванометра в цепи второй спирали отклонялась.

Опыты Фарадея.

Опыты Фарадея по исследованию ЭМИ можно разделить на две серии:

1. возникновение индукционного тока при вдвигании и выдвигании магнита (катушки с током);

Объяснение опыта: При внесении магнита в катушку, соединенную с амперметром в цепи возникает индукционный ток. При удалении так же возникает индукционный ток, но другого направления. Видно, что индукционный ток зависит от направления движения магнита, и каким полюсом он вносится. Сила тока зависит от скорости движения магнита.

2. возникновение индукционного тока в одной катушке при изменении тока в другой катушке.

Объяснение опыта: электрический ток в катушке 2 возникает в моменты замыкания и размыкания ключа в цепи катушки 1. Видно, что направление тока зависит от того, замыкают или размыкают цепь катушки 1, т.е. от того, увеличивается (при замыкании цепи) или уменьшается (при размыкании цепи) магнитный поток. Пронизывающий 1-ю катушку.

Проводя многочисленные опыты, Фарадей установил, что в замкнутых проводящих контурах электрический ток возникает лишь в тех случаях, когда они находятся в переменном магнитном поле, независимо от того, каким способом достигается изменение потока индукции магнитного поля во времени.

Ток, возникающий при явлении электромагнитной индукции, называют индукционным.

Если магнит приближать к катушке, то в ней появляется индукционный ток такого направления, что магнит обязательно отталкивается. Для сближения магнита и катушки нужно совершить положительную работу. Катушка становится подобной магниту, обращенному одноименным полюсом к приближающемуся к ней магниту. Одноименные же полюса отталкиваются.

При удалении, наоборот, в соответствии с законом сохранения энергии требуется, чтобы появилась сила притяжения.

Аналогичные выводы можно сделать с помощью опыта, показанного на рисунке 5. На концах стержня, который может свободно вращаться вокруг вертикальной оси, закреплены два проводящих алюминиевых кольца. Одно из них с разрезом.

С разрезанным кольцом магнит не взаимодействует, так как разрез препятствует возникновению в кольце индукционного тока. Отталкивает или притягивает катушка магнит, это зависит от направления индукционного тока в ней. Поэтому закон сохранения энергии позволяет сформулировать правило, определяющее направление индукционного тока.

В 1833 году Ленц опытным путем доказал утверждение, которое называется

правилом 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 .

Правило Ленца имеет глубокий физический смысл – оно выражает закон сохранения энергии : если магнитное поле через контур увеличивается, то ток в контуре направлен так, что его магнитное поле направлено против внешнего, а если внешнее магнитное поле через контур уменьшается, то ток направлен так, что его магнитное поле поддерживает это убывающее магнитное поле.

Применять правило Ленца для нахождения направления индукционного тока в контуре надо так:

1 . Определить направление линий магнитной индукции внешнего магнитного поля.

2 . Выяснить, увеличивается ли поток вектора магнитной индукции этого поля через поверхность, ограниченную контуром (ΔФ > 0), или уменьшается (ΔФ < 0).

3 . Установить направление линий магнитной индукции ‘ магнитного поля индукционного тока. Эти линии должны быть согласно правилу Ленца направлены противоположно линиям магнитной индукции В при ΔФ > 0 и иметь одинаковое с ними направление при ΔФ

4 . Зная направление линий магнитной индукции ‘, найти направление индукционного тока, пользуясь правилом буравчика.

Краткий конспект подготовки к ЗНО по физике №28 «Электромагнитная индукция (ЭМИ).»

Определение. Магнитный поток – величина, характеризующая количество линий магнитной индукции, которые проходят через плоскую поверхность с заданной площадью (контур).
– внешний магнитный поток через контур, Вб
Где S – площадь контура, м²
α – угол между и перпендикуляром к контуру, град или рад

Явление электромагнитной индукции – явление возникновения индукционного тока в замкнутом проводнике (контуре), через который изменяется магнитный поток.
Механизм возникновения тока индукции:
1) Изменение магнитного потока приводит к возникновению вихревого электрического поля;
2) Вихревое (индукционное) электрическое поле действует на свободные заряды в контуре и разделяет их;
3) Разделение зарядов характеризуется ЭДС индукции, которая возникает в контуре;
4) При замкнутом контуре как следствие возникает ток индукции.
– закон электромагнитной индукции (ЭДС индукции в контуре), В
Где ∆t – интервал времени, с
– ЭДС индукции в катушке из N витков, В
– сила тока индукции в замкнутом контуре, А
Где R – сопротивление контура, Ом
– ЭДС индукции в двигающемся в МП прямом проводнике, В
Где l – длина проводника, м
υ – скорость движения проводника, м/с
α – угол между и , град или рад
Варианты возникновения ЭДС индукции:
1) Изменение вектора магнитной индукции .

2) Изменение площади контура ∆S:

3) Изменение угла α (поворот контура):

Замечание. На идее вращения рамки в магнитном поле основан принцип работы электрогенератора.
Правило Ленца (определение направления тока индукции). При изменении магнитного потока в контуре возникает ток, который препятствует изменению этого магнитного потока.
Алгоритм определения направления тока индукции:
1) Установить направлении линий магнитной индукции внешнего МП;
2) Выяснить, увеличивается или уменьшается поток внешнего МП через поверхность;
3) Установить направление магнитных линий индукционного тока по правилу Ленца: противоположно линиям внешнего поля при увеличении внешнего магнитного потока и одинаково направлены в случае уменьшения внешнего магнитного потока;
4) Определить направление тока индукции по правилу правой руки.

6. Явление самоиндукции

Явление самоиндукции – явление возникновения ЭДС индукции и индукционного тока в проводнике при изменении тока в нем.
Пояснение проявления самоиндукции:
1) При размыкании цепи основной ток в проводнике убывает, при этом согласно правилу Ленца возникает ЭДС самоиндукции и ток самоиндукции, который препятствует изменению магнитного потока в цепи. В итоге ток самоиндукции поддерживает основной ток, т.е. ток самоиндукции и основной ток сонаправлены;
2) При замыкании цепи по аналогичным рассуждениям ток самоиндукции противоположно направлен к основному току.
Замечание. Явление самоиндукции является частным случаем проявления электромагнитной индукции.
– ЭДС самоиндукции, В
Где ∆I – изменение силы тока в цепи, А
Определение. Индуктивность (L, ) – величина, характеризующая магнитные свойства проводника (катушки).
– собственный магнитный поток, который создает проводник с током, Вб
– энергия магнитного поля, Дж

Электромагнитная индукция. Правило Ленца

Явление электромагнитной индукции заключается в том, что в результате изменения во времени магнитного потока, который пронизывает замкнутый проводящий контур, в контуре возникает электрический ток. Открыто это явление было физиком из Великобритании Максом Фарадеем в 1831 году.

Формула магнитного потока

Введем обозначения, необходимые нам для записи формулы. Для обозначения магнитного потока используем букву Ф , площади контура – S , модуля вектора магнитной индукции – B , α – это угол между вектором B → и нормалью n → к плоскости контура.

Магнитный поток, который проходит через площадь замкнутого проводящего контура, можно задать следующей формулой:

Рисунок 1 . 20 . 1 . Магнитный поток через замкнутый контур. Направление нормали n → и выбранное положительное направление l → обхода контура связаны правилом правого буравчика.

За единицу магнитного потока в С И принят 1 вебер ( В б ) . Магнитный поток, равный 1 В б , может быть создан в плоском контуре площадью 1 м 2 под воздействием магнитного поля с индукцией 1 Т л , которое пронизывает контур по направлению нормали.

1 В б = 1 Т л · м 2

Закон Фарадея

Изменение магнитного потока приводит к тому, что в проводящем контуре возникает ЭДС индукции δ и н д . Она равна скорости, с которой происходит изменение магнитного потока через ограниченную контуром поверхность, взятой со знаком минус. Впервые экспериментально установил это Макс Фарадей. Он же записал свое наблюдение в виде формулы ЭДС индукции, которая теперь носит название Закона Фарадея:

Благодаря правилу Ленца мы можем обосновать тот факт, что в формуле электромагнитной индукции δ и н д и ∆ Φ ∆ t противоположны по знакам.

Если задуматься о физическом смысле правила Ленца, то это частный случай Закона сохранения энергии.

Причины возникновения индукционного тока в движущихся и неподвижных проводниках

Причин, по которым может происходить изменение магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур, две:

1. Изменение магнитного потока вследствие перемещения всего контура или отдельных его частей в магнитном поле, которое не изменяется со временем;
2. Изменение магнитного поля при неподвижном контуре.

Перейдем к рассмотрению этих случаев подробнее.

Перемещение контура или его частей в неизменном магнитном поле

При движении проводников и свободных носителей заряда в магнитном поле возникает ЭДС индукции. Объяснить возникновение δ и н д можно действием силы Лоренца на свободные заряды в движущихся проводниках. Сила Лоренца здесь – это сторонняя сила.

Знаки в формуле, которая связывает δ и н д и ∆ Φ ∆ t , можно установить в зависимости от того, какие направления нормали и направления контура будут выбраны. В случае выбора согласованных между собой по правилу правого буравчика направлений нормали n → и положительного направления обхода контура l → можно прийти к формуле Фарадея.

При условии, что сопротивление всей цепи – это R , то по ней будет протекать индукционный ток, который равен I и н д = δ и н д R . За время Δ t на сопротивлении R выделится джоулево тепло:

∆ Q = R I и н д 2 ∆ t = υ 2 B 2 l 2 R ∆ t

Парадокса здесь нет. Мы просто не учли воздействие на систему еще одной силы. Объяснение заключается в том, что при протекании индукционного тока по проводнику, расположенному в магнитном поле, на свободные заряды действует еще одна составляющая силы Лоренца, которая связана с относительной скоростью движения зарядов вдоль проводника. Благодаря этой составляющей появляется сила Ампера F А → .

Для рассмотренного выше примера модуль силы Ампера равен F A = I B l . Направление силы Ампера таково, что она совершает отрицательную механическую работу A м е х . Вычислить эту механическую работу за определенный период времени можно по формуле:

A м е х = — F υ ∆ t = — I B l υ ∆ t = — υ 2 B 2 l 2 R ∆ t

Проводник, перемещающийся в магнитном поле, испытывает магнитное торможение. Это приводит к тому, что полная работа силы Лоренца равна нулю. Джоулево тепло может выделяться либо за счет уменьшения кинетической энергии движущегося проводника, либо за счет энергии, которая поддерживает скорость перемещения проводника в пространстве.

Изменение магнитного поля при неподвижном контуре

Определение 3

Вихревое электрическое поле – это электрическое поле, которое вызывается изменяющимся магнитным полем.

В отличие от потенциального электрического поля работа вихревого электрического поля при перемещении единичного положительного заряда по замкнутому проводящему контуру равна δ и н д в неподвижном проводнике.

В неподвижном проводнике электроны могут приводиться в движение только под действием электрического поля. А возникновение δ и н д нельзя объяснить действием силы Лоренца.

Первым, кто ввел понятие вихревого электрического поля, был английский физик Джон Максвелл. Случилось это в 1861 году.

Фактически, явления индукции в подвижных и неподвижных проводниках протекают одинаково. Так что в этом случае мы тоже можем использовать формулу Фарадея. Отличия касаются физической причины возникновения индукционного тока: в движущихся проводниках δ и н д обусловлена силой Лоренца, в неподвижных – действием на свободные заряды вихревого электрического поля, возникающего при изменении магнитного поля.

Рисунок 1 . 20 . 4 . Модель электромагнитной индукции

Рисунок 1 . 20 . 5 . Модель опытов Фарадея

Рисунок 1 . 20 . 6 . Модель генератора переменного тока

Конспект урока по физике в 9 классе на тему «Явление электромагнитной индукции

Подготовила учитель физики МБОУ СОШ с.Новофедоровское Ишемгулова Х.А.

Урок- игра. Следствие ведут знатоки.

Форма урока : детективное расследование физического явления, основанное на знании раннее изученных тем. Цел и урока : повторить и закрепить в игровой форме материал изученной темы «Явление электромагнитной индукции», находить дополнительный материал по данной теме. Формировать и развивать аналитические, исследовательские, вычислительные, эксперементальные навыки; умения находить и принимать решения; состязательности; умения адаптироваться в изменяющихся условиях, заданных игрой, умению общаться, установлению контактов, получать удовольствие от общения с партнерами, учиться создавать особую эмоциональную среду

Приборы и материалы : гальванометр, катушка большая и маленькая, полосовой магнит, ключ, источник тока, проволочный контур, большой дугообразный магнит, универсальный трансформатор, магнитопровод, якорь, кольцо штатива, железный стержень. ОРГАНИЗАЦИЯ УРОКА. Создается 4 оперативные группы. Некоторым обучающимся заранее дается темы для выступлений. Назначается дежурный по штабу. В ходе урока учитель оценивает групповое и индивидуальное выступления и раздает жетоны.

Дежурный по оперативному штабу делает сообщение:

Сегодня в штабе расследуем физическое явление – явление электромагнитной индукции. В тетрадях записать число, тему. Слайд № 1.

Оперативным группам дежурный ставит вопросы:

1. Вчем заключается явление электромагнитной индукции.

Ответ: При всяком изменении магнитного потока, пронизывающего контур замкнутого проводника, в этом проводнике возникает электрический ток, существующий в течении всего процесса изменения магнитного потока. Дежурный по штабу:

2.Кто виновен в появлении этого физического явления?

Выступление 1-ого ученика Iгруппы. Ученики в тетрадях делают краткий конспект.Слайд № 2 Майкл Фарадей родился в 1791 году в Англии в городе Ньювингтон в семье кузнеца. Он был выходцем из бедной семьи и по большей части, самоучкой. Свое образование он получил в начальной школе. Будучи в четырнадцать лет учеником переплетчика и продавца книг, он воспользовался представившейся ему возможностью много заниматься чтением. Когда ему исполнилось двадцать лет, он начал посещать лекции знаменитого английского ученого Гемфри Дэви и был от них в восторге. Он написал Дэви письмо и в конце концов получил место его ассистента. После путешествия с Дэви по Франции, Италии и Швецарии он делает уже важнейшие самостоятельные открытия. Хотя ему не хватало хорошей математической основы, он был непревзойденным физиком-экспериментатором. Фарадей сделал свое первое важное изобретение в области электричества в 1821 году. В 1824г. Фарадей избирается членом Лондонского королевского общества. Это было признанием его как ученого. Через год Фарадей становится директором лаборатории, а в 1827г. занимает должность профессора в Королевском институте. В 1831г. открыл явление электромагнитной индукции. Постепенно Фарадей отказывался от многих обязанностей, стремясь отдать все свои силы только научным исследованиям. Фарадей изучал электролиз и установил законы этого явления, исследовал диэлектрические свойства вещества. В 1845г.он открыл вращение плоскости поляризации света в магнитном поле и явления диа- и парамагнетизма. Фарадей был не только талантлив, он был красив, его научные лекции пользовались большим успехом. Тем не менее это был скромный человек, безразличный к славе, деньгам, почестям. Он отказался от дворянского рыцарского звания и также отказался стать президентом Британского королевского общества. У него была долгая и счастливая супружеская жизнь, но не было детей. Он умер в 1867 году неподалеку от Лондона. Дежурный оперативного штаба задает вопрос:

3.Каковы основные мотивы появления явления

электромагнитной индукции. Выступление 2-ого ученика II группы. Около 1800 года Вольта изобрел «Вольтов столб» — источник постоянного тока. В 1820 году Эрстед открыл действие тока на магнитную стрелку. Несколькими месяцами позже Ампер, проделав аналогичный опыт, установил, что два параллельных проводника, по которым идет ток в одном направлении, притягиваются друг другу и отталкиваются, если токи имеют противоположные направления. Им же были исследованы свойства соленоида и создан прибор, названный гальванометром. В дальнейшем Ампер обнаружил взаимодействие соленоидов и подметил сходство их с магнитами. В этот же период Араго открыл явление намагничивания железа током и построил первый электромагнит. Эта эпоха больших открытий находится в непосредственной связи с бурным прогрессом в промышленности в период начального развития и утверждения капитализма после победы над феодальным, застойным способом производства. Резко увеличилась потребность в более совершенной технике, производства, транспорта, связи. Живейший интерес среди ученых этой эпохи встречает каждое новое открытие в области электричества. Плеяда первоклассных ученых, профессоров лучших университетов Европы занимаются исследованием и решением совершенно новых проблем и шаг зашагом проникают в неведомый мир электрических явлений и законов строения материи. Дежурный ставит следующий вопрос:

4.Какова основная версия произошедшего?

Выступление 3-его ученика IIIгруппы.Слайд №3,4.Историческая справка об открытииМ. Фарадеем явления электромагнитной индукции. Фарадей и сам проводил много опытов и был убежден, что должен существовать другой способ использования магнетизма для получения электричества, в 1922 году он записал в своем дневнике “Превратиь Магнетизм в электричество”, продолжал искать такой метод. 29 августа 1831 году Фарадею удалось на опыте наблюдать явление электромагнитной индукции при изменении тока. При размыкании тока, проходящего через проволочную катушку, возникал кратковременный ток в параллельно поставленной второй катушке, что можно было заметить по слабым отклонениям стрелки гальванометра. В момент замыкания тока в первой катушке во второй снова возникал ток, но противоположного направления. Введение внутрь катушек железного сердечника резко усиливало наблюдаемое явление. («кольцо Фарадея» — намотаны две катушки изолированной проволоки.) Следующий вопрос дежурного по штабу:

5.Проверить, доказать существование явления электромагнитной индукции.

На столе имеются приборы: гальванометр, катушка большая и маленькая, полосовой магнит, ключ, источник тока, проволочный контур, большой дугообразный магнит. Каждая группа показывает один из этих опытов и поясняет возникновение индукционного тока.

Что же объединяет эти опыты? Что можно сказать о магнитном потоке, как числе линий магнитной индукции, пронизывающих поверхность, ограниченную контуром? Слайд №5

6.Используя полученную информацию, числовые данные произвести расчеты, объяснять.

Решение задач: 4 ученикам(сильным) из 4-х групп на карточках дается задания.

Виток площадью 5 см 2 помещают В магнитное поле. Определите ЭДС индукции в витке, если за 5 мс магнитная индукция равно- мерно убывает с 0,8 до 0,4 Тл.

Остальным предлагаются следующие задачи:(эти опыты учитель показывает)

Подключить обмотку любого электромагнита к гальванометру. Почему при замыкании и размыкании полюсов электромагнита якорем гальванометр отмечает возникновение тока в цепи?

Катушку от универсального трансформатора на 220 В установите на кольце штатива и подключите к гальванометру. Над ней поставьте сильный дугообразный магнит, а внутрь ее введите железный стержень длиной 25-30 см и диаметром 6-10 мм. Перемещайте стержень от одного полюса магнита к другому. Почему при этом возникает ток? Где аналогичное явление используется в практике.

Вопрос дежурного по штабу:

7. Каковы последствия открытого Фарадеем явления электромагнитной индукции? Каждая группа делает выводы.