Электром. индукц

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ САМАРСКОЙ ОБЛАСТИ
Государственное бюджетное образовательное учреждение
среднего профессионального образования
«Тольяттинский политехнический техникум»
(ГБОУ СПО «ТПТ»)
МОДУЛЬНАЯ ПРОГРАММА
Электромагнитная индукция
Дисциплина: Физика
Тольятти, 201-
Модульная программа разработана Чертовой Е.Н. – преподавателем дисциплины
«Физика» ГБОУ СПО «ТПТ»
Модульная программа составлена в соответствии с рабочей программой по
дисциплине «Физика».
Аннотация. Методическое пособие предназначено для оказания помощи студентам
в организации самостоятельной работы при изучении темы: Электромагнитная
индукция.
Дано описание модульной конструкции темы, представлены: структура модульной
программы, комплексная дидактическая цель, алгоритм работы в каждом учебном
элементе, рейтинговая система оценки знаний.
Пособие дает студенту полные сведения о содержании и последовательности
изучения темы, формах аудиторной и самостоятельной работы, требованиях к
знаниям и умениям, формах отчетности. Позволяет прогнозировать результаты
изучения данного модуля.
Модульная программа
“Электромагнитная индукция”
Комплексная дидактическая цель
Усвоив, материал данного модуля вы будете знать:
- как можно получить электрический ток в проводнике без источника тока.
- что называется явлением электромагнитной индукции и как она применяется на
практике.
- как определяется величина и направление индукционного тока.
- что представляет собой вихревое электрическое поле.
- что называется явлением самоиндукции и где его необходимо учитывать на
практике.
- как определяется энергия магнитного поля тока.
- что называется электромагнитным полем.
СТРУКТУРА МОДУЛЬНОЙ ПРОГРАММЫ
Электромагнитная индукция
Открытие
электромагнитной
индукции.
Магнитный поток.
Правило
Ленца.
Закон
электромагнитной
индукции.
2часа
Вихревое
электрическое поле.
Самоиндукция.
Индуктивность.
Энергия
магнитного поля
тока.
Электромагнитное
поле.
Выходной тест
2часа
2часа
Условные обозначения
указывается цель (и) учения
!
?
:
обратите внимания! Это важно! Суть!
- контрольные вопросы (или вопросы для
самоконтроля)
ответы на вопросы
практические задания
- обдумайте это!
~
УЭ 1-1
Явление электромагнитной индукции Магнитный поток
Изучив
данный
познакомитесь
электромагнитной
принципами
элемент
с
явлениями неподвижными электрическими
индукции
получения
вы Известно: электрическое поле создается
и
с зарядами (запряженными частицами).
электрического Магнитное поле- движущимися
тока на электростанциях всех типов.
электрическими зарядами
(электрическим током).
Между электрическим полем и
магнитным полем, существует
теснейшая взаимосвязь.
Опыт Эрстеда (рис.1) позволяет нам
Магнитная стрелка
говорить о существующем магнитном
поле, созданным электрическим током.
Рис. 1
М. Фарадей, опираясь на теорию
S
взаимосвязи явления природы решил,
N
ответить на вопросы “Не может ли в
свою очередь магнитное поле создать
электрический ток?” ответ был получен
Г
гальванометр
катушка
Рис.2
Ответ найдите в §1 “Физика- 11”
им через 10 лет.
29августа 1831 г. было открыто явление
возникновения электрического тока в
замкнутом проводнике при
меняющемся во времени магнитном
поле (при движении магнита) – явления
электромагнитной индукции.
? Перечислите все способы, открытые
B
Фарадеем, возникновения
электромагнитного тока в замкнутом
проводнике.
N
S
! Явление электромагнитной индукции-
Рис. 3
явление возникновения электрического
“Физика -11” §1
тока при изменении числа линий
магнитной индукции, пронизывающих
поверхность, ограниченную этим
контуром. (Рис.3)
? Возникает ли индукционный ток в
катушке при изменении силы тока в
соседней катушке.
Для того, чтобы дать количественную
n
B
формировку закона электромагнитной
индукции в ведем понятие:
“магнитный поток Ф”
! Магнитный поток Ф (поток магнитной
индукции) через поверхность
площадью S называют величину
Ответ вы найдете в учебнике
“Физика -11” g2
равную произведению модуля вектора
магнитной индукции B на площадь S и
косинус угла а между векторами B и n:
Ф=B * S * cos a
! Единица измерения:
Ф [Вебер] =[Bб]
? Что характеризует поток магнитной
индукции?
? Где в технике нашло применение
явление электромагнитной индукции
УЭ 1-2
Направление индукционного тока. Правило Ленца.
Изучив данный элемент, вы
Опыт по электромагнитной индукции
сможете определять
показывает, что направление тока,
направление индукционного
протекающего в замкнутом проводнике
тока, возникающего в замкнутом контуре
меняется при приближении или
при изменении магнитного потока.
удалении магнита к нему.
Как определить направление
N
индукционного тока в замкнутом
контуре?
На этот вопрос ответил Ленц, опираясь
Рис.1
Ответ вы найдете в g 3 “Физика-11”
на закон сохранения энергии.
? Рассмотрите процессы,
происхождения в установке (рис. 1) при
S
N
N
приближении и удалении магнита.
! Возникающий индукционный ток в
B1
замкнутом контуре своим магнитным
полем противодействуют тому
изменению магнитного потока, которым
Ii
он вызван.
Ii
! Рассмотрите опыт (рис. 2).
B1
B
Рис. 2
! Ключевое слово: противодействует!
Ответ в g 3 “ Физика-11”
? В чем состоит различие двух опытов?
S
? Постоянный магнит выдвигается из
N
металлического кольца южным
полюсом.
1.
B
B
Ii
1. Кольцо притягивается к магниту.
Притягивается кольцо к магниту
или отталкивается от него?
2.
Какое направление имеет
индукционный ток (Ii) в кольце, если
смотреть со стороны выдвигаемого
магнита.
(Закон сохранения энергии)
Используем ключевое слово:
“противодействует” из правила Ленца;
При удалении магнита в кольце возникает
Ii, который создает магнитное поле. Это
магнитное поле будет, со стороны
удаляющегося магнита, будет иметь
полюс, противоположный N, то есть S.
Два разноименных полюса
притягиваются!
2.Итак, верхняя часть кольца имеет S
полюс, значит, линии магнитной
индукции B1 будут направлены вниз.
Воспользуемся правилом буравчика: если
поступательное движение буравчика
совпадает с направлением вектора B1, то
его вращательное движение совпадет с
направлением Ii будет направлено по
часовой стрелке.
Решите задачи: Рымкевич 902(908) 8б.
504(911) 10б
УЭ 1-3
Закон электромагнитной индукции.
Изучив данный элемент, вы
Вспомните понятие “магнитный поток
узнаете от чего зависит
Ф”. (учебный элемент УЭ-1-1).
величина индукционного тока,
Мы знаем: величина индукционного тока
возникающего в замкнутом проводнике,
Ii пропорциональна скорости изменения
а также узнаете количественную
числа линий магнитной индукции,
формировку закона электромагнитной
пронизывающих контур проводника.
индукции.
! Следовательно, величина Ii
пропорциональна
скорости
Ф
t магнитного
изменения
потока:
Ii ~
Ф
t
? 1.При каких условиях возникает
Ответ вы найдете в ученике “Физика -10” электрический ток?
[Просмотрите конспект модуля N 3]
2.Что называется э.д.с. источника тока?
закон постоянного тока
3. Какие сторонние силы вам известны?
Известно, что электрический ток в
проводнике возникает при действии
э.д.с.
Следовательно, по закону Ома Ii=Ei/R
так как
Ii ~
Ii ~ Ei, то Ei
Ф
t
Ф
t
Ii~Ei
~
! Э.д.с. индукции в замкнутом контуре
равно по модулю скорости изменения
магнитного потока через поверхность
ограниченной контуром:
Ei =
Ф
t
Правило Ленца позволяет определить,
Ответ в g 4”Физика -11’
Ф
Ei и имеет разные знаки,
t
что
следовательно:
Ei= - Ф
Дано:
t
По закону электромагнитной
? Почему Ei
t=0.1c
знаки?
Ф1=5Bб
Ф2=0Bб
Ф и имеют разные
t
Ei =
Ф  Ф1  Ф2
Задача. За 0,1 сек. магнитный поток,
пронизывающий контур проводника,
Ei=?
Ei = 5-0=50B
равномерно уменьшился с 5 до 0Bб. чему
0.1
при этом равно значение э.д.с. индукции
в контуре.
Ответ: 50B
Решите задачи: Рымкевич 911 (н) 8б
912 (918) 8б
УЭ -1-4
В и х р е во е э ле к тр и ч е с к о е п о ле .
Изучив данный элемент, вы Как показывает опыт: в трансформаторе
узнаете, почему возникает ЭДС (две катушки надетые на замкнутый
индукции
проводнике,
в
неподвижном сердечник), если одну
из обмоток
помещенном
в (катушек) включить в цепь переменного
изменяющееся во времени поле.
тока, то в другой тоже будет течь
Ответ в g 5 “Физика-11”
электрический ток, если она замкнута?
? Какие силы заставляют электроны во
сердечник
второй обмотке двигаться?
Нам известно: на электрические заряды
обмотка
обмотка
может действовать только электрическое
Рис.1
поле!
Но во второй обмотке течет
индукционный ток, который появляется
трансформатор
в результате действия переменного
Рис. 2
магнитного поля.
Можно предположить:
! электроны в неподвижном проводнике
приводятся в движение электрическим
полем и это поле непосредственно
порождается переменным магнитным
полем.
Изменяясь во времени, магнитное поле
порождает электрическое поле
К этому выводу пришел Максвелл.
Это поле называется вихревым
электрическим полем.
! 1.Силовые линии вихревого
электрического поля (линии
напряженности) замкнуты! (См.рис.3)
S
2.Работа вихревого электрического поля
E
при перемещении единичного
положительного проводника числено
N
равна ЭДС индукции в этом проводнике
Рис.3
. Рассмотрим действие возникающее в
массивных проводниках индукционных
токов. В массивных проводниках из-за
Ответы вы найдете в g5 “Физика-11”
их малого сопротивления возникают
Ответы вы найдете в g5 “Физика-11”
индукционные токаи большой величины.
Эти токи называются токами Фуко.
?1. Где в промышленности используют
токи Фуко?
Повторите темы: “Электрическое поле”,
“Магнитное поле” “Физика-10”/
2.Почему железные сердечники
трансформаторов, электродвигателей,
генераторов…делают из отдельных
пластин?
Нам известны магнитные изолятор
ферриты.
!При перемагничивании в ферритах не
возникают токов Фуко.
?1.Где применяют ферритовые
сердечники?
2.В чем состоят преимущества
ферритов по сравнению с обычными
ферромагиетиками?
?Заполните следующую таблицу.
Вопросы
Вид поля
электрические
1 Каков источник поля?
2.Что служит индикатором
поля?
3. Каково (потенциальное,
вихревое) данное поле?
4. Каковы (замкнутые,
незамкнутые) линии поля?
5. Каковы условия
существования поля?
магнитные
УЭ 2-1
Самоиндукция. Индуктивность.
Изучив данный элемент, вы узнаете, что
Рассмотрим какие явления происходят в
в катушке по которой идет переменный
катушке, по которым протекает
электрический ток возникает
переменный электрический ток.
э.д.с.индукции.
Для этого, обратимся к опыту (см.рис.1).
Замкнем ключ К.Лампа Л1, вспыхивает
Л1
R
сразу, а Л2 – с опозданием.
? Почему это происходит?
Л2
При замыкании ключа цепи потечет
электрический ток, который будет
увеличивать от 0 до какого-то значения I,
К
то есть будет переменным.
Переменным электрический ток создает
переменный магнитный поток Ф,
который пронизывая катушку, вызывает
в ней э.д.с. индукции Eis.
!Возникновение э.д.с. в каком-либо
проводнике при изменении силы тока в
нем же самом, называется
самоиндукцией.
Вихревое электрическое поле,
возникающее в катушке, препятствует
Ответ найдете в g 8 “Физика-11”
нарастанию тока (по правилу Ленца).
?1.Как будет вести себя лампа Л2, если
ключ К разомкнуть?
2.Может ли Eis быть больше Е батареи
элементов?
Введем понятие “коэффициент
самоиндукции” или “индуктивность
контура”. L
!L- физическая величина,
характеризующая свойства данного
проводника обуславливающее
возникновение в нем э.д.с.
самоиндукции.
Единица измерения: L[Генри] =[Гн]
L-является коэффициентом
пропорциональности индукции между I
и Ф, пронизывающим контур проводника
Найдите подсказку в g 8 “ Физика-
  LI
11” стр.17
(1)
? 1.Используя закон электромагнитной
Ответ в g 8 “Физика-11”
индукции и выражение (1) получите
зависимость
E is  _ L

t
2.Как еще можно характеризовать
понятие “индуктивность”?
?Что означает выражение:
индуктивность контура равна 1Гн?
Решите задачу:
Дано:
Си:
Найти индуктивность проводника, в
I  2 A
котором равномерное изменение силы
t= 0.25c
тока на 2А в течении 0,25с возбуждает
Eis=20мВ
20*103В
э.д.с. самоиндукции 20мВ.
L=?
Решение:
Нам известно:
следовательно:
E is  
Eis  t  L  I
L
L
I
t
Eis t
I
20  10 3  0,25
 2,5  10 3 Гн
2
Ответ: L=2,5мГн
Решите задачи: Рымкевич А.П.
221
6б
924 (926) 6б
925 (929) 8б
УЭ 2-2
Энергия магнитного плоя тока. Электромагнитное поле.
Изучив данный элемент, вы
! По закону сохранения энергии, энергия
сможете определить энергию,
магнитного поля созданная током, равна
которую обладает электрический
энергии затраченной источником тока на
ток в проводнике, а также познакомитесь создание тока
с понятием “электромагнитное поле”.
Ответ вы найдете в g 9 “Физика-11”
?1. Какие виды источника тока вам
известны?
2.Почему для создания тока можно
затратить энергию, то есть совершить
работу?
Воспользуемся известной аналогией
между самоиндукцией и инерцией.
Индуктивность L в процессе создания
тока играет ту же роль, что и масса m
при увеличении скорости тела в
механике.
Следовательно, можно воспользоваться
формулой кинетической энергии
движения тела Wk 
mV 2
и записать
2
энергию магнитного поля тока:
!
LI 2
Wм 
2
[Дж]
Нам известно: переменный магнитный
Повторите g 5 “Физика-11”
ток порождает электрическое поле.
Максвелл, основываясь на единстве
природы, гармонии законов природы,
доказал: переменное электрическое поле
порождает магнитное поле.
?1. Как возникает магнитное поле при
изменении электрического поля?
2. Как экспериментально была доказана
Ответ в g 10 “Физика- 11”
справедливость гипотезы Максвелла?
!Электрические и магнитные поляпроявление единого целогоэлектромагнитного поля.
!Электромагнитное поле- особая форма
материи, существующая реально.
Ответ найдите в g 10 “Физика-11”
?!Почему утверждение о том, что в
данной точке пространства существует
только электрическое поле или только
магнитное поле не является в полнее
определенным?
1.Дано:
Энергия магнитного тока
Wм 
Wм=1Дж
L=0,5 Гн
Следовательно, I 2 
2Wм

L
I
I=?
Решим задачу:
LI 2
2
1.Какой должна быть сила тока в
2W
L
2 1
 2A
0,5
Катюшке индуктивностью 0,5 Гн, чтобы
энергия поля оказалась равной 1 Дж?
2. Как необходимо изменить
индуктивность Катюшки при увеличении
тока в 4 раза, чтобы энергия магнитного
Ответ: I=2A
поля тока осталась прежней?
2.Энергия магнитного тока Wм 
LI 2
2
Если сила тока увеличивается в 4 раза, то
Wм 
L16 I 2
, чтобы энергия не
2
изменилась, необходимо индуктивность
L уменьшиться в 16 раз, тогда
Wм 
2
L16 I
LI

16  2
2
2
(2)
Ответ: L уменьшить в 16 раз.
Решить задачи: Рымкевич А.П.
972 (930) 8б
929 (932) 6б
Резюме
Явление электромагнитного индукции состоит в возникновении ЭДС
индукции в замкнутом контуре при изменении магнитного потока через
поверхность, ограниченную этим контуром. Это явление лежит в основе работы
генераторов всех электростанций мира. Согласно закону электромагнитной
индукции ЭДС индукции в замкнутом контуре равна скорости изменения
магнитного потока, взятой со знаком “минус”:
Ei 
 Ф
t
Согласно правилу Ленца возникающий в замкнутом контуре индукционный
ток своим магнитным полем противодействует тому изменению магнитного потока,
которым он вызван.
В неподвижном проводнике сторонней силой является сила, действующая на
заряды со стороны вихревого электрического поля, порождаемого переменным
магнитным полем. В движущимся проводнике сторонней силой является магнитная
сила Лоренца, действующая на движущиеся вместе с проводником частицы.
Важным частным случаем электромагнитной индукции является
самоиндукция. При самоиндукции изменяющееся магнитное поле индуцирует ЭДС
в том самом проводнике, по которому течет ток, создающий это поле. ЭДС
самоиндукции прямо пропорциональна скорости изменения силы тока в
проводнике:
E is 
 L I
t
Коэффициент пропорциональности L называют индуктивностью.
Индуктивность зависит от размеров и форму проводника, а также свойств среды, в
которой находится проводник.
Выражается она в генри: 1Гн 
1B  c
A
Энергия магнитного поля тока равна той работе, которую должен совершить
источник, чтобы создать данный ток:
Wм 
LI 2
A
При анализе явления электромагнитной индукции Максвеллом был сделан
вывод о порождении вихревого электромагнитного поля переменным магнитным
полем. Затем Максвелл предположил, что аналогичным образом переменное
электрическое поле порождает вихревое магнитное поле.
Контроль знаний
Условия оценки
Вы можете сами определить глубину и качество ваших знаний, определить какую
итоговую оценку вы получите.
За выполнение заданий к учебному элементу:
1-18 балла.
2-34 балла.
3-16 балла.
Итого: 68 балла.
За выполнение выходного теста вы должны набрать
44 балла.
Если вы набирали от 71 до 80% от общего количества баллов, вы знаете материал
удовлетворительно (“3”),
хорошо (“4”)- от 81 до 91%
отлично (“5”)- от 91 до 100%.
ВЫХОДНОЙ ТЕСТ
ВАРИАНТ -1
1. Чему равна индуктивность контура, если при силе тока 2А в нем существует
магнитный поток 4Вб.?
6 баллов
2. За 2 с.магнитный поток , пронизывающий контур, равномерно уменьшился с 8 до
2 Вб. Чему было равно при этом значение ЭДС индукции в контуре? 6 баллов
3. Какое из перечисленных ниже свойств относиться только к индукционному
электрическому полю, но не к электростатическому:
1-непрерывность в пространстве,
2-линии напряженности обязательно связаны с электрическими зарядами,
3-работа сил поля при перемещении заряда по любому замкнутому пути равна
нулю,
4-поле обладает запасом энергии,
5-работа сил поля при перемещении заряда по замкнутому пути может быть не
равна нулю.
8 баллов
4. Как изменяется энергия магнитного поля контура при увеличении силы тока в
нем в 4 раза?
6баллов
5. На рисунке 5 представлена электрическая схема, составленная из источника тока,
катушки и четырех ламп. В какой из ламп этой схемы после замыкания ключа К
сила тока достигает максимального значения после всех остальных?
4
Рис. 5
8 баллов
6. Постоянный магнит вдвигается в металлическое кольцо северным полюсом.
Притягивается кольцо к магниту или отталкивается от него? Какое направление
имеет индукционный ток в кольце, если смотреть со стороны двигаемого магнита?
10 баллов.
ВАРИАНТ-2
1. При каком значении силы тока в контуре индуктивностью 2 Гн магнитный поток
через контур равен 4 Вб?
6 баллов
2. За 3 с.магнитный поток, пронизывающий контур, равномерно увеличился с 3 до 9
Вб . Чему при этом равно значение ЭДС индукции а контуре?
6 баллов
3. Каким из перечисленных ниже свойств обладают и электростатическое и
индукционное электрические поля:
1- непрерывность в пространстве,
2- линии напряженности обязательно связаны с электрическим зарядами,
3- работа сил поля при перемещении заряда по любому замкнутому пути равно
нулю,
4- поле обладает запасом энергии,
5- работа сил поля при перемещении заряда по замкнутому пути может быть не
равна нулю.
8 баллов
4. Как изменилась сила тока в контуре, если энергия магнитного поля уменьшилась
в 4 раза?
6 баллов
5. На рисунке 1 представлена электрическая схема, составленная из источника тока,
катюши и двух ламп. В каком направлении будет протекать электрический ток через
лампы 1 и 2 через малый интервал времени после размыкания ключа К?
1
2
Рис. 1
8 баллов
6. Постоянный магнит выдвигается из металлического кольца южным полюсом.
Притягивается кольцо к магниту или отталкивается от него?
Какое направление имеет индукционный ток в кольце, если смотреть со стороны
выдвигаемого магнита?
10 баллов
ВАРИАНТ-3
1. Чему равен магнитный поток через контур индуктивностью 4 Гн силе тока в нем
2А?
6 баллов
2. За 0,5 с.магнитный поток, пронизывающий контур, равномерно увеличился с 1 до
3 Вб. Чему при этом равно значение ЭДС индукции в контуре?
6 баллов
3. Какое из перечисленных ниже свойств относится только к электростатическому
полю, но не к индукционному электрическому полю:
1- непрерывность в пространстве,
2- линии напряженности не связанны с электрическими зарядами,
3- работа сил поля при перемещении заряда по любому замкнутому пути равно
нулю,
4- поле обладает запасом энергии,
5- работа сил поля при перемещении заряда по замкнутому пути может быть не
равна нулю.
8 баллов
4. Как нужно изменить индуктивность контура, для того чтобы при неизмененном
значении силы тока в нем энергия магнитного поля уменьшилась в 4 раза?
5. На рисунке 1 представлена электрическая схема, составленная из источника тока,
катюши и четырех ламп. Какой из ламп этой схемы после замыкания ключа К сила
достигает максимального значения после всех остальных?
4
3
8 баллов
6. Постоянный магнит вдвигается в металлическое кольцо южным полюсом.
Притягивается кольцо или отталкивается от магнита? Какое направление имеет
индукционный ток в кольце, если смотреть со стороны вдвигаемого магнита?
10 баллов
ВАРИАНТ-4
1.Чему равна индуктивность контура, если при силе тока 4А в нем существует
магнитный поток 2 Вб?
6 баллов
2. За 0,2 с.магнитный поток, пронизывающий контур, равномерно уменьшился с 3
до 1 Вб. Чему при этом равно значение ЭДС индукции в контуре?
6 баллов
3. Если известно, что работа сил электрического поля при перемещении в нем
электрического заряда по любой траектории равна нулю, то какое это поле,
индукционное или электростатическое?
8 баллов
4. Через катушку индуктивностью 3 Гн протекает постоянный электрический ток.
Сила тока в этой цепи равна 4А. чему равна энергия магнитного поля катушки?
6 баллов
5. На рисунке 1 представлена электрическая схема, составленная из источников
тока, катушки двух ламп. В каком направлении будет протекать электрический ток
через лампы 1 и 2 через малый интервал времени размыкания ключа К?
1
2
Рис.1
8 баллов
6. Постоянный магнит выдвигается из металлического кольца северным полюсом.
Притягивается кольцо к магниту или отталкивается от него? Какое направление
имеет индукционный ток в кольце, если смотреть со стороны выдвигаемого
магнита?
10 баллов