Урок по физике явление самоиндукции индуктивность. Презентация на тему "самоиндукция и индуктивность". Закрепление изученного материала
Цель урока : сформировать представление о том, что изменение силы тока в проводнике создает вихревое воле, которое может или ускорять или тормозить движущиеся электроны.
Ход урока
Проверка домашнего задания методом индивидуального опроса
1. Получить формулу для вычисления электродвижущей силы индукции для проводника, движущегося в магнитном поле.
2. Вывести формулу для вычисления электродвижущей силы индукции, используя закон электромагнитной индукции.
3. Где применяется и как устроен электродинамический микрофон?
4. Задача. Сопротивление проволочного витка равно 0,03 Ом. Магнитный поток уменьшается внутри витка на 12 мВб. Какой электрический заряд проходит через поперечное сечение витка?
Решение. ξi=ΔФ/Δ t; ξi= Iiʹ·R; Ii =Δq/Δt; ΔФ/Δt = Δq R/Δt; Δq = ΔФΔt/ RΔt; Δq= ΔФ/R;
Δq=400 мКл
Изучение нового материала
1. Самоиндукция.
Если по проводнику идет переменный ток, то он создает ЭДС индукции в этом же проводнике – это явление самоиндукции. Проводящий контур играет двоякую роль: по нему идет ток, в нем же создается ЭДС индукции этим током.
На основании правила Ленца; когда ток увеличивается, напряженность вихревого электрического поля, направлена против тока, т.е. препятствует его увеличению.
Во время уменьшения тока вихревое поле его поддерживает.
Рассмотрим схему на которой видно, что сила тока достигает определенного
значения постепенно, через какое – то время.
L Л2 R A
Демонстрация опытов со схемами. С помощью первой цепи покажем, как появляется ЭДС индукции при замыкании цепи.
При замыкании ключа первая лампа загорается мгновенно, вторая с опозданием, из-за большой самоиндукции в цепи, которую создает катушка с сердечником.
С помощью второй цепи продемонстрируем появление ЭДС индукции при размыкании цепи.
В момент размыкания через амперметр, пойдет ток направленный,против начального тока.
При размыкании сила тока может превысить первоначальное значение тока. Значит, ЭДС самоиндукции может быть больше ЭДС источника тока.
Провести аналогию между инерцией и самоиндукцией
Индуктивность.
Магнитный поток пропорционален величине магнитной индукции и силе тока. Ф~B~I.
Ф= L I; где L- коэффициент пропорциональности между током и магнитным потоком.
Данный коэффициент называют чаще индуктивностью контура или коэффициентом самоиндукции.
Используя величину индуктивности, закон электромагнитной индукции можно записать так:
ξis= - ΔФ/Δt = - L ΔI/Δt
Индуктивность - это физическая величина, численно равная ЭДС самоиндукции, возникающий в контуре при изменении силы тока на 1 А за 1 с.
Измеряют индуктивность в генри (Гн) 1 Гн = 1 В с/А
О значении самоиндукции в электротехнике и радиотехнике.
Вывод: когда по проводнику идет изменяющийся ток появляется вихревое электрическое поле.
Вихревое поле тормозит свободные электроны при увеличении тока и поддерживает его при уменьшении.
Закрепление изученного материала.
- Как объяснить явление самоиндукции?
- Провести аналогию между инерцией и самоиндукцией.
- Что такое индуктивность контура, в каких единицах измеряется индуктивность?
- Задача. При силе тока в 5 А в контуре возникает магнитный поток 0,5 мВб. Чему будет равна индуктивность контура?
Решение. ΔФ/Δt = - L ΔI/Δt; L = ΔФ/ΔI; L =1 ·10-4Гн
Подведем итоги урока
Домашнее задание: §15, повт. §13, упр. 2 № 10
На данном уроке мы узнаем, как и кем было открыто явление самоиндукции, рассмотрим опыт, с помощью которого продемонстрируем это явление, определим, что самоиндукция - это частный случай электромагнитной индукции. В конце урока введем физическую величину, показывающую зависимость ЭДС самоиндукции от размеров и формы проводника и от среды, в которой находится проводник, т. е. индуктивность.
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.
Рис. 2. Схема экспериментальной установки Д. Генри
На рис. 2 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 (рис. 3).
Рис. 3. Различный накал лампочек в момент включения цепи
При отключении источника лампочка, подключенная последовательно с катушкой, гаснет медленнее, чем вторая лампочка.
Почему лампочки гаснут не одновременно
При замыкании ключа (рис. 4) из-за возникновения ЭДС самоиндукции ток в лампочке с катушкой нарастает медленнее, поэтому эта лампочка загорается медленнее.
Рис. 4. Замыкание ключа
При размыкании ключа (рис. 5) возникающая ЭДС самоиндукции мешает убыванию тока. Поэтому ток еще некоторое время продолжает течь. Для существования тока нужен замкнутый контур. Такой контур в цепи есть, он содержит обе лампочки. Поэтому при размыкании цепи лампочки должны некоторое время светиться одинаково, и наблюдаемое запаздывание может быть вызвано другими причинами.
Рис. 5. Размыкание ключа
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 (рис. 6).
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 рис. 6 витка индукционный ток должен быть направлен по часовой стрелке (рис. 7), 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 (рис. 8). В этом заключается суть явления самоиндукции. Самоиндукция - это частный случай электромагнитной индукции.
Рис. 8. Момент включения и выключения цепи
Формула для нахождения магнитной индукции прямого проводника с током:
где - магнитная индукция; - магнитная постоянная; - сила тока; - расстояние от проводника до точки.
Поток магнитной индукции через площадку равен:
где - площадь поверхности, которая пронизывается магнитным потоком.
Таким образом, поток магнитной индукции пропорционален величине тока в проводнике.
Для катушки, в которой - число витков, а - длина, индукция магнитного поля определяется следующим соотношением:
Магнитный поток, созданный катушкой с числом витков N , равен:
Подставив в данное выражение формулу индукции магнитного поля, получаем:
Отношение числа витков к длине катушки обозначим числом :
Получаем окончательное выражение для магнитного потока:
Из полученного соотношения видно, что значение потока зависит от величины тока и от геометрии катушки (радиус, длина, число витков). Величина, равная , называется индуктивностью:
Единицей измерения индуктивности является генри:
Следовательно, поток магнитной индукции, вызванный током в катушке, равен:
С учетом формулы для ЭДС индукции , получаем, что ЭДС самоиндукции равна произведению скорости изменения тока на индуктивность, взятому со знаком «-»:
Самоиндукция - это явление возникновения электромагнитной индукции в проводнике при изменении силы тока, протекающего сквозь этот проводник.
Электродвижущая сила самоиндукции прямо пропорциональна скорости изменения тока, протекающего сквозь проводник, взятой со знаком минус. Коэффициент пропорциональности называется индуктивностью , которая зависит от геометрических параметров проводника.
Проводник имеет индуктивность, равную 1 Гн, если при скорости изменения тока в проводнике, равной 1 А в секунду, в этом проводнике возникает электродвижущая сила самоиндукции, равная 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.
Список литературы
- Мякишев Г.Я. Физика: Учеб. для 11 кл. общеобразоват. учреждений. - М.: Просвещение, 2010.
- Касьянов В.А. Физика. 11 кл.: Учеб. для общеобразоват. учреждений. - М.: Дрофа, 2005.
- Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И., Физика 11. - М.: Мнемозина.
- Интернет-портал Myshared.ru ().
- Интернет-портал Physics.ru ().
- Интернет-портал Festival.1september.ru ().
Домашнее задание
- Вопросы в конце параграфа 15 (стр. 45) - Мякишев Г.Я. Физика 11 (см. список рекомендованной литературы)
- Индуктивность какого проводника равна 1 Генри?
Цель: расширить представление учащихся о явлении ЭМИ; разъяснить сущность явления самоиндукции; ознакомить учащихся с одной из характеристик проводника – индуктивностью; показать практическое значение приобретенных знаний.
Демонстрации:
Самоиндукция при замыкании и размыкании цепи.
Ход урока
Организационный момент
Проверка домашнего задания.
Актуализация опорных знаний.
В чем заключается явление ЭМИ?
Как определяется направление индукционного тока?
Как формулируется закон ЭМИ?
Почему в электрической цепи с катушкой с большим количеством витков сила тока увеличивается постепенно? (Начать с: почему лампа 2 зажглась позже?)
^ Изучение нового материала
электрический ток в контуре, меняющийся со временем, определённым образом воздействует
сам на себя. (слайд 2 ).
Слайд 3. Каждый проводник, по которому протекает электрический ток, находится в собственном магнитном поле. Как направлен ток в данном случае? (щелчок мыши)
Определите направление магнитного поля данного тока. (щелчок мыши)
Предположим, что сила тока в контуре возрастает. Пусть ток течёт против часовой
стрелки; тогда магнитное поле этого тока направлено вверх и увеличивается (щелчок мыши)
Таким образом, наш контур оказывается в изменяющемся (переменном) магнитном поле своего собственного тока. Магнитное поле в данном случае возрастает (вместе с током) и потому порождает
вихревое электрическое поле , линии которого направлены по часовой стрелке в соответствии с
правилом Ленца.
Вихревое электрическое поле направлено против тока, препятствуя его возрастанию; оно как бы «тормозит» ток.(Щелчок мыши)
Поэтому при замыкании любой цепи ток устанавливается не мгновенно
Слайд 4. Предположим теперь, что сила тока в контуре уменьшается. Магнитное поле тока также убывает и порождает вихревое электрическое поле, направленное против часовой стрелки.
Теперь вихревое электрическое поле направлено в ту же сторону, что и ток; оно поддерживает ток, препятствуя его убыванию.
Слайд 5. Так почему в электрической цепи с катушкой с большим количеством витков сила тока увеличивается постепенно? (Щелчок мыши)
^ При замыкании любой цепи ток устанавливается не мгновенно - требуется некоторое время, чтобы преодолеть тормозящее действие возникающего вихревого электрического поля.
Что происходит при размыкании цепи? (Щелчок мыши)
Слайд 6. Другой вариант. Демонстрация.
При замыкании цепи работает электрический звонок и горит неоновая лампа, а лампа накаливания не горит. Если исключить из цепи звонок, то загорается лампа накаливания, а неоновая лампа гаснет. Почему?
Когда работает звонок, происходит замыкание и размыкание цепи. Вследствие возникновения при замыкании ЭДС самоиндукции, направленной против ЭДС генератора тока, и быстрого затем размыкания цепи волосок лампы накаливания не успевает разогреться. Возникающая при частом размыкании значительная по величине ЭДС самоиндукции поддерживает горение неоновой лампы. Если из цепи исключить звонок, то в цепи будет течь постоянный ток, – загорается лампа накаливания.
^ Самоиндукция - явление возникновения ЭДС индукции в этом же самом проводнике, в котором изменяется ток.
Явление самоиндукции подобно явлению инерции в механике.
^
Слайд 7. Индуктивность - физическая величина, численно равная ЭДС самоиндукции, возникающей в контуре при изменении силы тока на 1 А за 1с.
Слайд 8. Проявление самоиндукции: При выключении тока между подвижными контактами проскакивает искра
Учет явления самоиндукции:
Применение явления самоиндукции
Работа ламп дневного света (щелчок мыши по кнопке справа - Слайд 12 )
Электрические колебания в колебательном контуре
Закрепление нового материала.
Подведение итогов урока. Задание домой
Дополнительные задания
Если ток в контуре изменяется, то изменяется магнитное поле этого тока и собственный магнитный поток, пронизывающий контур. Если ток в контуре изменяется, то изменяется магнитное поле этого тока и собственный магнитный поток, пронизывающий контур. В контуре возникает ЭДС индукции, которая согласно правилу Ленца препятствует изменению тока в контуре. В контуре возникает ЭДС индукции, которая согласно правилу Ленца препятствует изменению тока в контуре.
САМОИНДУКЦИЯ Самоиндукция – это явление возникновения ЭДС индукции в контуре при изменении электрического тока в этом же контуре. Самоиндукция – это явление возникновения ЭДС индукции в контуре при изменении электрического тока в этом же контуре. Самоиндукция является важным частным случаем электромагнитной индукции. Самоиндукция является важным частным случаем электромагнитной индукции.
ИНДУКТИВНОСТЬ Собственный магнитный поток Φ, пронизывающий контур или катушку с током, пропорционален силе тока I. Собственный магнитный поток Φ, пронизывающий контур или катушку с током, пропорционален силе тока I. Коэффициент пропорциональности L в этой формуле называется коэффициентом самоиндукции или индуктивностью катушки.
ИНДУКТИВНОСТЬ Единица индуктивности в СИ называется генри (Гн). Единица индуктивности в СИ называется генри (Гн). Индуктивность контура или катушки равна 1 Гн, если при силе постоянного тока 1 А собственный поток равен 1 Вб. Индуктивность контура или катушки равна 1 Гн, если при силе постоянного тока 1 А собственный поток равен 1 Вб. 1 Гн = 1 Вб / 1 А
САМОИНДУКЦИЯ ЭДС самоиндукции, возникающая в катушке с постоянным значением индуктивности, равна ЭДС самоиндукции, возникающая в катушке с постоянным значением индуктивности, равна ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна индуктивности катушки и скорости изменения силы тока в ней. ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна индуктивности катушки и скорости изменения силы тока в ней.
Магнитная энергия. При размыкании ключа лампа ярко вспыхивает. При размыкании ключа лампа ярко вспыхивает. Ток в цепи возникает под действием ЭДС самоиндукции. Источником энергии, выделяющейся при этом в электрической цепи, является магнитное поле катушки.
Магнитная энергия. Из закона сохранения энергии следует, что вся энергия, запасенная в катушке, выделится в виде джоулева тепла. Если обозначить через R полное сопротивление цепи, то за время Δt выделится количество теплоты Из закона сохранения энергии следует, что вся энергия, запасенная в катушке, выделится в виде джоулева тепла. Если обозначить через R полное сопротивление цепи, то за время Δt выделится количество теплоты ΔQ = I 2 RΔt
Магнитная энергия. Изобразим на графике зависимость магнитного потока Φ(I) от тока I Изобразим на графике зависимость магнитного потока Φ(I) от тока I Полное количество выделившейся теплоты, равное первоначальному запасу энергии магнитного поля, определяется площадью треугольника. ФI/2
