Урок 6. Самоиндукция. Индуктивность
Предмет: Физика, 11 класс

Конспект урока

Физика, 11 класс

Урок 6. Самоиндукция. Индуктивность

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1) индуктивность, самоиндукция, ЭДС самоиндукции;

2) использование явления электромагнитной индукции, принцип действия электрогенератора и электродинамического микрофона;

3) аналогия между самоиндукцией и инертностью;

4) закон самоиндукции, границы его применимости;

5) ЭДС индукции в движущихся проводниках.

Глоссарий по теме

Самоиндукцией называют явление возникновения ЭДС индукции в самом проводнике, по которому идет переменный ток. Эта ЭДС называется ЭДС самоиндукции .

Величину L называют индуктивностью контура или его коэффициентом самоиндукции.

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

Энергия магнитного поля, созданного током, проходящим по участку цепи с индуктивностью L равна произведения индуктивности и квадрата силы тока деленная на два.

Магнитное поле, созданное электрическим током, обладает энергией, прямо пропорциональной квадрату силы тока.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

Обязательная литература:

Мякишев Г.Я.,Буховцев Б.Б.,Чаругин В.М. Физика.11 класс. Учебник для общеобразовательных организаций. М.: Просвещение, 2014. – С. 47 - 52.

Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс. -М.: Дрофа, 2009. – С. 121 – 125.

Целых Д. Об измерении энергии магнитного поля //Квант. - 1998. - № 1. - С. 43-44.

Основное содержание урока

Самоиндукция - это явление возникновения электромагнитной индукции в проводнике при изменении силы тока, протекающего через проводник .

При самоиндукции проводящий контур выполняет двойную роль: переменный ток в проводнике вызывает появление магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром. А так как магнитный поток изменяется со временем, то появляется ЭДС индукции .

По правилу Ленца, в момент нарастания тока напряженность вихревого электрического поля направлена против тока, препятствуя нарастанию тока. В момент уменьшения тока вихревое поле наоборот поддерживает его.

ЭДС самоиндукции E_si может быть больше ЭДС источника тока.

Генератор – это устройство, преобразующее энергию того или иного вида в электрическую энергию.

Генератор состоит из подвижной части – ротора, и неподвижной части – статора.

Все генераторы состоят из магнита или электромагнита, создающего магнитное поле, и рамки (обмотки) в которой индуцируется ЭДС.

По закону электромагнитной индукции Фарадея, в условиях, когда проводник движется внутри магнитного поля, образуется эффект пересечения магнитных силовых линий. На заряды со стороны магнитного поля действует сила Лоренца и внутри проводника свободные заряды приходят в направленное движение, то есть индуцируется ЭДС (электродвижущая сила), которая имеет магнитное происхождение. Величина индуцированной электродвижущей силы проводника напрямую зависит от скорости изменения магнитного потока (от скорости вращения рамки), пронизывающий проводник. Генераторы вырабатывают переменный электрический ток.

Микрофон осуществляет превращение звуковых колебаний воздуха в колебания электрического тока. Его действие основано на явлении электромагнитной индукции.

В электродинамическом микрофоне мембрана механически жёстко соединена с катушкой, который находится в кольцевом зазоре постоянного магнита (аналогично динамикам). Линии магнитной индукции перпендикулярны виткам катушки.

Звуковая волна вызывает колебание мембраны и, соответственно, колебание звуковой катушки. Катушка движется в магнитном поле, в её витках индуцируется ток, и на концах катушки возникает переменная ЭДС индукции.

Это переменное напряжение вызывает колебание тока в цепи микрофона.

Самоиндукция является частным случаем электромагнитной индукции.

Самоиндукцию можно представить как своеобразный маховик или точнее – силу инерции. При действии на маховик внешней силы сначала сопротивляется этой силе, а при резком прекращении ее действия, когда уже маховик раскручен – еще какое-то время движется по инерции.

Явление самоиндукции используют в системах плавного включения электрических устройств, например, в осветительных приборах, цепях, содержащих трансформаторы, генераторы, электродвигатели, выключение тока проводят медленно, чтобы ЭДС самоиндукции не превысила ЭДС источника, и прибор не вышел из строя, выполняет очень важную роль в: электротехнике и радиотехнике. Индуктивность цепи оказывает существенное влияние на прохождение по цепи переменного электрического тока.

Магнитный поток пропорционален силе тока I:

где- индуктивность контура, или его коэффициентом самоиндукции. Единицу индуктивности в СИ называют генри (обозначается 1 Гн). Индуктивность зависит от геометрических размеров проводника, его формы, и непосредственно не зависит от силы тока в проводнике. Кроме геометрии проводника, индуктивность зависит от магнитных свойств среды, в которой находится проводник.

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

если геометрические параметры проводника остаются неизменными и поток меняется только за счет изменения силы тока.

Электродвижущая сила самоиндукции прямо пропорциональна скорости изменения силы тока, протекающего сквозь проводник, взятого со знаком минус.

Источник тока, включенный в электрическую цепь, обладает запасом энергии. Источник тока расходует часть своей энергии на преодоление действия возникающей ЭДС самоиндукции. Эта часть энергии, называемая собственной энергией тока, идет на образование магнитного поля.

Энергия магнитного поля, созданного током, прямо пропорциональна квадрату силы тока

Энергию магнитного поля можно выразить и через характеристики поля. Плотность энергии магнитного поля (то есть энергия единицы объёма) пропорциональна квадрату магнитной индукции: , подобно плотности энергии электрического поля пропорциональной квадрату напряженности электрического поля:

Запас энергии магнитного поля катушки равен энергии, израсходованной источником тока на преодоление э. д. с. самоиндукции за весь тот промежуток времени, пока сила тока при замыкании цепи возрастала от нуля до некоторого значения. Часть работы ЭДС источника в катушке идет на нагревание ее проводов, а часть, равная э. д. с. самоиндукции, совершает работу против ЭДС самоиндукции.

При движении проводника длиной l в однородном магнитном поле на электроны проводника действует сила Лоренца .

Если концы проводника будут соединены через нагрузку друг с другом, то через проводник потечёт ток.

Сила Лоренца, совершает работу по перемещению зарядов по всей длине проводника l.

Возникающая за счет действия на заряды силы Лоренца ЭДС индукции имеет магнитное происхождение.

Электродвижущая сила индукции в проводнике равна отношению работы по перемещению заряда к этому заряду:

Эта формула справедлива для любого проводника длиной l, движущегося со скоростью v в однородном магнитном поле

Разбор тренировочных заданий

1. Катушка индуктивностью 2 Гн подключена к источнику тока так, как показано на рисунке. Сопротивление лампы равно 70 Ом, ЭДС источника 210 В.

Внутренним сопротивлением источника и сопротивлением проводов пренебречь. Выберите два верных утверждения о процессах, наблюдаемых в опыте.

1) Сила тока в цепи равна 3 А;

2) Энергия магнитного поля равна 18 Дж;

3) Ток через лампу сначала увеличивается, затем достигнув максимального значения не меняется;

4). Магнитный поток пронизывающий катушку сначала уменьшается, потом увеличивается.

Дано:

L=2 Гн

R=70 Ом

Ԑ=210В

r=0

Решение:

1) Согласно закону Ома для полной цепи

Утверждение 1 верно.

2) Энергия магнитного поля:

Утверждение 2 неверно.

3) Согласно явлению самоиндукции, ток в проводнике нарастает постепенно и не меняется, если в проводнике установится постоянный ток.

Утверждение 3 верно.

4) При увеличении тока магнитный поток пронизывающий катушку увеличивается, потом не изменяется.

Утверждение 4 неверно.

Правильные варианты: 1); 3).

2. На рисунке представлен график зависимости силы тока в катушке от времени. Индуктивность катушки равна 2,5 Гн. Найдите два правильных ответа:

1) модуль магнитного потока через катушку в интервале времени от 0 до 1 с равна 1,25 Вб;

2) модуль ЭДС самоиндукции в интервале времени от 1 до 5 с равна 0,625 В;

3) максимальное значение модуля ЭДС самоиндукции для данного графика равна 2,5 В;

4) энергия магнитного поля катушки за 2 секунды, начиная с момента времени t = 6 c равна 0,15625 Дж.

Дано:

L=2,5 Гн

Решение:

1) Модуль магнитного потока через катушку равен:

Утверждение 1 верно.

2) ЭДС самоиндукции согласно формуле равна:

Утверждение 2 неверно.

3) Согласно графику максимальное ЭДС самоиндукции будет на интервале от 5с до 6с.

Утверждение 3 верно.

4) Энергия магнитного поля катушки:

Утверждение 4 неверно.

Правильные варианты: 1); 3).