Урок 5 Электромагнитная индукция – Физика – 11 класс – Российская электронная школа

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Урок 5 Электромагнитная индукция

Явление электромагнитной индукции заключается в генерации электрического тока в проводящем контуре, который либо находится в состоянии покоя в изменяющемся во времени магнитном поле, либо движется в постоянном магнитном поле таким образом, что количество линий магнитной индукции, пронизывающих поверхность, ограниченную контуром, изменяется со временем. Магнитный поток F – пропорционально числу линий магнитной индукции, пронизывающих поверхность с полем S.

Единица измерения магнитного потока: Однородное магнитное поле с индукцией 1 Тесла создает магнитный поток в один Вебер через поверхность площадью 1 м 2 , перпендикулярную вектору магнитной индукции.

Принцип ЛенцаИндуцированный ток в замкнутом контуре действует как противодействующая сила изменению магнитного потока, который он индуцирует.

Сила индукционного тока пропорциональна скорости изменения магнитного потока через область, ограниченную контуром.

ЭДС индукции в замкнутом контуре равна по модулю скорости изменения магнитного потока над поверхностью, ограниченной контуром:

Основная и дополнительная литература по теме:

Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Чаругин В.М. Физика. 10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017п. 107-112

Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс. – Москва: Дрофа, 2009. стр. 28-29

ЕГЭ 2017 Физика. 1000 задач с ответами и решениями. Демидова М.Ю., Грибов В.А., Жиголо А.И. Москва: Экзамен, 2017.

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Электрическое и магнитное поля создаются одними и теми же источниками – электрическими зарядами. Следовательно, естественнее было предположить, что между этими областями существует связь. Это предположение было доказано экспериментально в 1831 году английским ученым М. Фарадеем, который открыл явление электромагнитной индукции. Все эксперименты Фарадея по изучению явления электромагнитной индукции имели одну общую черту: магнитный поток через замкнутую цепь проводника изменялся. При каждом изменении магнитного потока через замкнутый контур в нем возникает индукционный ток.

Сила индукционного тока пропорциональна ЭДС индукции.

Направление индукционного тока изменялось в зависимости от направления магнита по отношению к катушке. Это направление тока может быть найдено с помощью правила Ленца.

М. Фарадей экспериментально установил, что при изменении магнитного потока электродвижущая сила индукциикоторая равна скорости изменения магнитного потока на поверхности, ограниченной контуром, взятой со знаком минус:

Знак минус в этой формуле отражает правило Ленца.

Закон электромагнитной индукции сформулирован для индукции ЭМП.

Индуктивная ЭДС в замкнутом контуре равна по модулю скорости изменения магнитного потока через область, ограниченную контуром:

ЭДС индукции в движущихся проводниках:

Джеймс Максвелл в 1860 году пришел к выводу, что изменяющееся во времени магнитное поле всегда порождает вращающееся электрическое поле, а изменяющееся во времени электрическое поле, в свою очередь, порождает магнитное поле. Следовательно, существует единая теория электромагнитного поля.

Анализ типичного тестового случая

На рисунке показано время проведения демонстрационного эксперимента для проверки правила Ленца, когда все объекты неподвижны. Южный полюс магнита находится внутри массивного металлического кольца, но не касается его. Металлическое кольцо битера свободно вращается вокруг вертикальной опоры. Когда магнит вытягивается из кольца влево, кольцо будет

1) оставаться неподвижным

2) двигаться вправо

3) вибрировать

4) следуйте за магнитом.

Когда магнит вытягивается из кольца влево, магнитный поток от магнита через кольцо уменьшается. В замкнутом кольце наводится индукционный ток. Направление этого тока, согласно правилу Ленца, таково, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока. Поскольку мензурка свободно вращается вокруг вертикальной оси, а магнитное поле магнита неоднородно, мензурка под действием силы Ампера будет двигаться таким образом, чтобы магнитный поток не изменялся. Поэтому коромысло будет двигаться за магнитом.

Ответ: 4) двигаться за магнитом.

Проводник MN с активной длиной 1 м и сопротивлением 2 Ом находится в однородном магнитном поле с индукцией 0,2 Тесла. Проводник подключен к источнику тока с ЭДС 4 В (пренебрегайте внутренним сопротивлением источника и сопротивлением подводящих проводов). Какова сила тока в проводнике, если:

No. 1 проводник находится в состоянии покоя;

№ 2 проводник движется вправо со скоростью 6 м/с.

No. 1: Ток в неподвижном проводнике течет от N к M

v = 0; закон Ома для полной цепи I = Ɛ/R = 4V/2 Ом = 2A

№ 2: Если проводник движется вправо со скоростью 6 м/с, индукционный ток будет течь от N к M по правилу правой руки:

δ i n d = A e = υ B l .

Как показывают эксперименты, индукционный ток, возникающий в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, всегда направлен в определенную сторону. Магнитное поле, создаваемое индукционным током, препятствует изменению магнитного потока, который вызвал индукционный ток. Ленц сформулировал этот принцип в 1833 году.

Проиллюстрируем правило Ленца изображением неподвижного замкнутого проводящего контура, помещенного в однородное магнитное поле. Модуль индукции увеличивается со временем.

Рисунок 1 . 20 . 2 . Принцип Ленца

Здесь ∆ Φ ∆ t > 0, и δ i n d < 0 < 0. Индукционный ток I i n d течет в выбранном положительном направлении l → в обход контура.

Благодаря правилу Ленца мы можем обосновать тот факт, что в формуле электромагнитной индукции δ i n e и ∆ Φ ∆ t имеют противоположные знаки.

Если рассматривать физический смысл правила Ленца, то оно является частным случаем закона сохранения энергии.

Магнитное поле, изменяющееся в пространстве и времени, является источником вращающегося электрического поля с замкнутыми линиями поля. Его действие объясняет упорядоченное движение единичных зарядов в проводнике, находящемся в (статическом) неподвижном состоянии.

Магнитный поток

Явление магнитного потока – это сумма силовых линий, проходящих через данное поперечное сечение проводника или замкнутого проводящего контура.

Модуль этой величины F в соответствии со следующей формулой:

F= B×S×Cos α, где:

  • B – модуль вектора индукции, образованного силовыми линиями;
  • S – площадь, через которую проходит поток силовых линий
  • α – угол между векторами линий индукции и нормалью (т.е. перпендикуляром к плоскости, пронизываемой магнитными линиями).

Он измеряется в единицах Вебера (Vb).

Электромагнитная индукция – Явление электрического тока, электрического поля или электрической поляризации, возникающее при изменении магнитного поля со временем или при движении материальной среды в магнитном поле [1] . Электромагнитная индукция была открыта Майклом Фарадеем 29 августа 1831 года [2] . Он обнаружил, что электродвижущая сила (ЭДС), возникающая в замкнутом проводящем контуре, пропорциональна скорости изменения магнитного потока на поверхности, ограниченной контуром. Значение электродвижущей силы не зависит от того, вызвано ли изменение потока изменением самого магнитного поля или перемещением контура (или его части) в магнитном поле. Электрический ток, вызванный этой ЭДС, называется индукционным током.

Содержание

Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея (СИ):

Знак минус в формуле отражает Принцип Ленца Назван в честь российского физика Э. Х. Ленца:

Индукционный ток в замкнутом проводящем контуре имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле противодействует изменению магнитного потока, вызвавшего ток.

Для катушки в изменяющемся магнитном поле закон Фарадея можно записать следующим образом:

Векторная форма [ править | править код ].

Закон Фарадея можно записать в дифференциальной форме

или в эквивалентной интегральной форме:

Закон Фарадея в этой форме описывает только ту часть ЭДС, которая возникает при изменении магнитного потока через контур вследствие изменения во времени самого поля, без изменения (смещения) границ контура (о последнем см. ниже).

  • В этой форме закон Фарадея включается в систему уравнений Максвелла для электромагнитного поля (в дифференциальной или интегральной форме, соответственно) [3].
  • Некоторые авторы, например, M. Лившиц в журнале “Квант” в 1998 году [4] отрицает корректность использования термина Закон Фарадея или закон электромагнитной индукции и т.д. к формуле E = – d Φ / d t >=-</dt>> в случае движущегося контура (оставив этот термин для данного случая или объединив его со случаем переменного магнитного поля, напр. принцип флюса) [5] . В таком понимании закон Фарадея – это закон, касающийся только циркуляции электрического поля (а не ЭДС, создаваемой силой Лоренца), и в таком понимании термин Закон Фарадея в точности совпадает с содержанием соответствующего уравнения Максвелла.
  • Однако возможность (пусть и с некоторыми оговорками для уточнения области применимости) сближения формулировки “правила флюса” с законом электромагнитной индукции нельзя назвать чисто случайной. Дело в том, что, по крайней мере в определенных ситуациях, это совпадение кажется очевидным проявлением принципа относительности. А именно, например, для случая относительного движения катушки с вольтметром, измеряющим ЭДС, и источника магнитного поля (постоянного магнита или другой катушки с током), в системе отсчета, связанной с первой катушкой, ЭДС равна циркуляции электрического поля, а в системе отсчета, связанной с источником магнитного поля (магнитом), возникновение ЭДС связано с действием силы Лоренца на носители заряда, движущиеся с первой катушкой. Однако эта и вторая ЭДС должны совпадать, потому что вольтметр показывает одно и то же значение, независимо от того, для какой системы отсчета мы его рассчитали.

Потенциальная форма [ править | править код ].

Выражая магнитное поле через векторный потенциал, закон Фарадея принимает вид:

В общем случае, рассматривая также поле без вихрей (например, электростатическое), имеем:

Поскольку вектор магнитной индукции по определению выражается векторным потенциалом как

тогда мы можем подставить это выражение в

и подставив дифференцирование во временных и пространственных координатах (ротор):

То есть, в случае отсутствия частей без роторов мы можем написать

и в общем случае

«Физика – 11 класс”

Что такое электромагнитная индукция?

«Физика – 11 класс”

Электромагнитная индукция

Английский физик Майкл Фарадей был убежден в единой природе электрических и магнитных явлений.
Магнитное поле, изменяющееся со временем, создает электрическое поле, а изменяющееся электрическое поле создает магнитное поле.
В 1831 году. Фарадей открыл явление электромагнитной индукции, которое стало основой для создания генераторов, преобразующих механическую энергию в электрическую.

Электромагнитная индукция

Явление электромагнитной индукции – это Генерация электрического тока в проводящей цепи, которая находится в состоянии покоя в изменяющемся во времени магнитном поле или движется в постоянном магнитном поле таким образом, что изменяется число линий магнитной индукции, проходящих через цепь.

Для своих экспериментов Фарадей использовал две катушки, магнит, переключатель, источник постоянного тока и гальванометр.

Электрический ток способен намагнитить кусок железа. Не может ли магнит вызвать появление электрического тока?

В результате своих экспериментов Фарадей определил. основные характеристики явления электромагнитной индукции:

1). в одной катушке создается индукционный ток, когда цепь второй катушки, неподвижной относительно первой, замыкается или размыкается.

2). индукционный ток создается путем изменения тока в одной из катушек с помощью реостата 3). индукционный ток протекает, когда катушки перемещаются относительно друг друга 4). Индукционный ток создается, когда постоянный магнит перемещается относительно катушки

Выводы:

В замкнутом проводящем контуре возникает ток, когда изменяется число линий магнитной индукции, пронизывающих поверхность, ограниченную контуром.
И чем быстрее изменяется число линий магнитной индукции, тем больше индукционный ток.

Не имеет значения, что вызывает изменение числа линий магнитной индукции.
Это может быть изменение числа линий магнитной индукции, пронизывающих поверхность, ограниченную неподвижным проводящим контуром, вызванное изменением тока в соседней катушке,

и изменение числа линий индукции, вызванное перемещением контура в неоднородном магнитном поле, плотность линий которого изменяется в пространстве, и т.д.

Магнитный поток

Магнитный поток – это свойство магнитного поля, которое зависит от вектора плотности магнитного потока во всех точках поверхности, ограниченной плоским замкнутым контуром.

У нас есть плоский замкнутый проводник (контур), ограничивающий поверхность с полем S и помещенный в однородное магнитное поле.
Нормальный (вектор, модуль которого равен единице) к плоскости проводника составляет угол α с направлением магнитного потока .

Магнитным потоком Ф (потоком магнитной индукции) через поверхность с полем S называется величина, равная произведению вектора магнитной индукции через поверхность S и косинус угла α между векторами и :

F = BScos α

где
BScos α = Bn – проекция вектора магнитной индукции на нормаль к плоскости контура.
Поэтому

F = BnS

Чем больше магнитный поток, тем больше Вn и S.

Магнитный поток зависит от ориентации поверхности, через которую проникает магнитное поле.

Магнитный поток можно интерпретировать графически как величину, пропорциональную количеству линий магнитного потока, пронизывающих поверхность из S.

Единицей магнитного потока является Weber.
Магнитный поток в 1 Вебере (1 Vbсоздается однородным магнитным полем с индукцией 1 Тесла через поверхность площадью 1 м 2 , расположенную перпендикулярно вектору магнитного потока.

Источник: “Физика – 11 класс”, учебник Мякишев, Буховцев, Харугин.

Электромагнитная индукция. Физика, учебник для 11 класса – Класс!

Явление электромагнитной индукции демонстрирует взаимодействие этих полей, наблюдаемое в веществах со свободными зарядами, а именно в проводниках. Меняющееся магнитное поле создает меняющееся электрическое поле, которое, действуя на свободные заряды, создает электрический ток. Этот ток, будучи переменным, в свою очередь создает переменное магнитное поле, которое порождает электрическое поле в том же проводнике и т.д.

Принцип работы

Работа клетки Фарадея основана на том, что заряд распределяется по поверхности проводника, в то время как внутренняя часть остается нейтральной. По сути, вся клетка, состоящая из проводящего материала, представляет собой единый проводник, “концы” которого приобретают противоположный заряд. Результирующий электрический ток создает поле, которое компенсирует внешний эффект. Напряженность электрического поля внутри такой структуры равна нулю.

Интересно, что если поле генерируется внутри клетки, эффект также работает. Однако в этом случае заряд будет распределен на внутренней поверхности решетки или другой проводящей плоскости и не сможет пройти наружу.

В английской терминологии QF называется “щит Фарадея”. Этот термин хорошо отражает суть устройства, которое подобно экрану или ширме отражает лучи, воздействующие на его содержимое.

Читайте далее:
Сохранить статью?