Досліди Фарадея. Явище електромагнітної індукції. Індукційний електричний струм

Вчитель: Мокра Анна Ігорівна

Предмет: Фізика

Клас: 9

Семестр: І

Розділ: Магнітне поле

Тема: Досліди Фарадея. Явище електромагнітної індукції. Індукційний електричний струм

Мета уроку:

Навчальна: сформувати знання про явище електромагнітної індукції, поняття індукційного струму, умови його виникнення.

Розвиваюча: розвивати логічне мислення учнів, продовжити формування фізичного стилю мислення школярів шляхом розвитку вміння виявляти причинно-наслідкові зв'язки між явищами дійсності; продовжити формувати у свідомості школярів наукову картину світу шляхом розширення їхніх уявлень про електромагнітне поле.

Виховна: продовжити виховання інтересу школярів до фізики як науки та навчального предмета; прищеплювати цілеспрямованість і наполегливість.

Очікувані результати: учні повинні розуміти суть явища електромагнітної індукції, давати означення індукційного струму, визначати його напрямок, пояснювати будову та принцип дії електромеханічного генератора електроенергії.

Тип уроку: комбінований.

Наочність і обладнання: комп’ютер, проектор, мультимедійна дошка, підручник; дві котушки, осердя, гальванометр, штабовий магніт, реостат, ключ, джерело струму, проводи.

Навчальні відео: «Дослід Фарадея – 1», «Дослід Фарадея – 2», «Дослід Фарадея – 4», «Рамка», «Генератори».

Віртуальний експеримент: «Лабораторія електромагнетизму».

 

План уроку

І. ОРГАНІЗАЦІЙНИЙ ЕТАП (2 хв)

ІІ. АКТУАЛІЗАЦІЯ ОПОРНИХ ЗНАНЬ І ВМІНЬ (5 хв)

ІІІ. ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ (16 хв)

IV. ЗАКРІПЛЕНЯ НОВИХ ЗНАНЬ І ВМІНЬ (17 хв)

V. ПІДБИТТЯ ПІДСУМКІВ УРОКУ (3 хв)

VI. ДОМАШНЄ ЗАВДАННЯ (2 хв)

VII. ВІДПОВІДІ

 

Хід уроку

І. ОРГАНІЗАЦІЙНИЙ ЕТАП

Вітання з учнями.

Звіт чергового учня.

Опитування щодо самопочуття.

 

II. АКТУАЛІЗАЦІЯ ОПОРНИХ ЗНАНЬ ТА ВМІНЬ

Перевірка опрацювання § 7

 

Бесіда за питаннями або вікторина Kahoot «Правильно – неправильно»

1.     Чому рамка зі струмом повертається в магнітному полі? Чому зупиняється?

Унаслідок дії сил Ампера рамка зі струмом може обертатися в магнітному полі. Через дію сил тертя рамка зупиняється.

2.     Назвіть основні частини електродвигуна.

Основні частини електродвигуна постійного струму: ротор, статор, колектор.

3.     Що таке колектор? Який принцип його роботи?

Колектор – пристрій, який автоматично змінює напрямок струму в рамці. Після замикання кола рамка внаслідок дії сил Ампера починає повертатися за ходом годинникової стрілки. Після проходження положення рівноваги щітки колектора притиснуті вже до інших півкілець. Таким чином напрямок струму в рамці змінюється на протилежний, а напрямок її обертання не змінюється.

4.     Як улаштований ротор електродвигуна?

Ротор або якір двигуна, сердечник певної форми, набирається з листів спеціальної сталі, на які намотують ізольований дріт (обмотку).

5.     Що являє собою статор електродвигуна?

Статор є постійним магнітом з наконечниками S і N, або електромагнітом (індуктор) та становить єдине ціле з корпусом електродвигуна. Це така частина двигуна, яка слугує для збудження магнітного поля.

6.     Назвіть переваги електричних двигунів порівняно з тепловими.

Електродвигуни більш компактні, економічні (їхній ККД сягає 98%), зручні в застосуванні (їхню потужність легко регулювати), не забруднюють довкілля.

7.     Опишіть принцип дії вимірювальних приладів магнітоелектричної системи.

Дія вимірювальних приладів магнітоелектричної системи ґрунтується на повертанні рамки зі струмом у магнітному полі постійного магніту.

8.     Чи відрізняються будова та принцип дії амперметрів і вольтметрів? Якщо так, то чим?

За внутрішньою будовою амперметр і вольтметр є практично однаковими; відрізняються лише їхні електричні опори. Амперметр вмикають у коло послідовно, тому його опір має бути якнайменшим, інакше сила струму в колі значно зменшиться.

Вольтметр приєднують до кола паралельно з пристроєм, на якому вимірюють напругу, отже, щоб сила струму в колі майже не змінювалася, опір вольтметра має бути якнайбільшим.

9.     Опишіть будову та принцип дії гучномовця.

Дія електродинамічного гучномовця ґрунтується на втягуванні котушки зі струмом у магнітне поле кільцевого магніту. Основні частини динаміка: котушка зі струмом, до якої прикріплений дифузор, і магнітна система, що складається із постійного кільцевого магніту, сталевого циліндра і двох сталевих дисків, які щільно прилягають до магніту. Магнітна система створює магнітне поле, напрямлене перпендикулярно до витків котушки. Якщо котушкою тече струм, на витки котушки діють сили Ампера, що змушують котушку рухатися вздовж керна, - котушка втягується в зазор кільцевого магніту. Коли сила струму в котушці змінюється зі звуковою частотою, так само змінюються й сили Ампера, й котушка то сильніше, то слабше втягується в зазор (коливається в такт зміни сили струму). Разом із котушкою коливається і прикріплений до неї дифузор, який «штовхає» повітря, створюючи звукову хвилю, - гучномовець випромінює звук.

 

Перевірка домашніх вправ №7 (3,4) - усно

 

Ми знаємо, що навколо провідника зі струмом виникає магнітне поле.

Чи можна здійснити зворотний процес, тобто за допомогою магнітного поля створити електричний струм?

 

IІІ. ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

1. Досліди Фарадея

29 серпня 1831 р. після понад 16 тисяч дослідів англійський фізик і хімік Майкл Фарадей одержав електричний струм за допомогою магнітного поля постійного магніту.

 

Проведемо дослід або перегляд відео «Дослід Фарадея - 1»

Візьмемо котушку, замкнемо її на гальванометр і будемо вводити та виводити із котушки постійний магніт.

     

                        а                                        б                                      в

а – якщо магніт уводити в котушку, стрілка гальванометра відхиляється праворуч;

б – якщо магніт нерухомий, струм не виникає і стрілка не відхиляється;

в – якщо виводити магніт із котушки, стрілка гальванометра відхиляється ліворуч.

 

 

Проблемне питання

• А чи можна викликати струм інакше: рухати не магніт, а з’єднану з гальванометром котушку?

 

Демонстрація або перегляд відео «Дослід Фарадея - 2»

 

Якщо залишити магніт нерухомим, а рухати котушку (то наближаючи, то віддаляючи її від магніту), то також спостерігатимемо відхилення стрілки гальванометра (рис. а, б)

 

     

Коли магніт рухається відносно замкненої котушки, в котушці виникає електричний струм.

 

Проведемо дослід або перегляд відео «Дослід Фарадея – 4»

Візьмемо дві котушки – А і В – і надінемо їх на спільне осердя. Котушку В через реостат приєднаємо до джерела струму, а котушку А замкнемо на гальванометр. Якщо пересувати повзунок реостата, то через котушку А буде йти електричний струм.

Струм в котушці А виникатиме як під час збільшення, так і під час зменшення сили струму в котушці В.

А от напрямок струму буде різним: у разі збільшення сили струму стрілка гальванометра відхилятиметься в один бік, а в разі зменшення – в інший.

Струм у котушці А виникатиме також у момент замикання або в момент розмикання кола котушки В.

 

2. Індукційний електричний струм

Усі розглянуті досліди — це сучасний варіант тих, які протягом 10 років здійснював Майкл Фарадей і завдяки яким він дійшов висновку: у замкненому провідному контурі виникає електричний струм, якщо кількість ліній магнітної індукції, що пронизують поверхню, обмежену контуром, змінюється.

Це явище було названо електромагнітною індукцією, а електричний струм, який при цьому виникає, — індукційним (наведеним) струмом.

 

Індукційний струм – це струм, отриманий у замкненому провіднику внаслідок зміни зовнішнього магнітного поля.

 

Проблемне питання

• А що ж є причиною виникнення індукційного струму?

Змінне магнітне поле завжди супроводжується появою в навколишньому просторі електричного поля. Саме електричне поле, а не магнітне, діє на вільні заряджені частинки в котушці й надає їм напрямленого руху, створюючи таким чином індукційний струм.

Електромагнітна індукція – це явище створення в просторі електричного поля змінним магнітним полем.

 

3. Причини виникнення індукційного струму

Розглянемо два випадки виникнення індукційного струму:

1. Провідний контур рухається в магнітному полі (рис. а). Якщо провідник рухається в магнітному полі, то вільні заряджені частинки всередині провідника рухаються разом із ним у певному напрямку.

 

На рухомі заряджені частинки магнітне поле діє із певною силою. Саме під дією цієї сили заряджені частинки починають напрямлено рухатися вздовж провідника — в провіднику виникає індукційний електричний струм.

 

2. Нерухомий провідний контур розташований у змінному магнітному полі (рис.  б). У цьому випадку сили, що діють з боку магнітного поля, не можуть зробити хаотичний рух заряджених частинок всередині провідника напрямленим.

Чому ж у контурі виникає індукційний струм?

Змінне магнітне поле завжди супроводжується появою в навколишньому просторі вихрового електричного поля (силові лінії такого поля є замкненими).

Саме електричне поле, а не магнітне, діє на вільні заряджені частинки в провіднику та надає їм напрямленого руху, створюючи таким чином індукційний струм.

 

4. Напрямок індукційного струму

Проведемо дослід

Для визначення напрямку індукційного струму скористаємося замкненою котушкою. Якщо змінювати магнітне поле, що пронизує котушку (наприклад, наближати або віддаляти магніт), то в котушці виникає індукційний струм. Унаслідок цього котушка сама стає магнітом.

                       

Досліди свідчать:

1) якщо магніт наближати до котушки, то вона буде відштовхуватися від магніту.

2) якщо магніт віддаляти від котушки, то котушка притягуватиметься до магніту.

 

Якщо магнітне поле всередині котушки посилюється, то в котушці виникає індукційний струм такого напрямку, що котушка буде обернена до магніту однойменним полюсом (рис. а).

 

Якщо магнітне поле всередині котушки послаблюється, то в котушці виникає індукційний струм такого напрямку, що котушка буде обернена до магніту різнойменним полюсом (рис. б).

Знаючи полюси котушки та скориставшись правою рукою, можна визначити напрямок індукційного струму.

 

5. Промислові джерела електричної енергії

Проблемне питання

• Яке практичне застосування має явище електромагнітної індукції?

 

Проведемо дослід або перегляд відео «Рамка»

Візьмемо рамку, що складається з кількох витків дроту, й будемо обертати її в магнітному полі постійного магніту. У рамці виникне електричний струм, наявність якого доводить світіння лампи.

Під час обертання рамки кількість магнітних ліній, що її пронизують, то збільшується, то зменшується. Отже, магнітне поле, що пронизує рамку, постійно змінюється, що й спричиняє появу в рамці індукційного струму.

Електромеханічний генератор – пристрій, у якому механічна енергія перетворюється на електричну.

 

Показ відео «Генератори»

Схема будови електромеханічного генератора:

1 – статор; 

2 – обмотка статора;

3 – ротор;

4 – обмотка ротора.

 

Струм тече по обмотці ротора, створюючи навколо нього магнітне поле, яке пронизує обмотку статора. Під дією пари (на теплових і атомних електростанціях) або води, що падає з висоти (на гідроелектростанціях), ротор генератора починає швидко обертатися. Унаслідок цього магнітне поле, що пронизує обмотку статора, змінюється і в обмотці статора виникає електричний струм. Після низки перетворень цей струм подається до споживача електричної енергії.

 

ІV. ЗАКРІПЛЕННЯ НОВИХ ЗНАНЬ І ВМІНЬ

 

Наведені вправи виконуються учнями усно або проводиться інтерактив в «Лабораторії електромагнетизму»

 

1. Як зміниться напрям індукційного струму в кожному з дослідів якщо в штабових магнітів знизу буде не північний, а південний магнітний полюс?

Напрям індукційного струму в кожному з дослідів зміниться на протилежний.

   

 

2. На рисунку зображено дві котушки різного діаметру, джерело струму, вимикач і гальванометр. Котушка з меншим діаметром під’єднана через вимикач до джерела струму й поміщена в котушку з більшим діаметром, яка під’єднана до гальванометра. Опишіть процеси, що будуть відбуватись у разі замикання вимикача.

 

Коли замкнемо або розімкнемо електричне коло, це спричинить виникнення та зникнення магнітного поля у меншій котушці, що, у свою чергу, приведе до виникнення струму в більшій котушці, про що буде свідчить відхилення стрілки гальванометра, який підключений до неї.

Річ у тім, що зміни магнітного поля у малій котушці завжди супроводжуються появою індукційного електричного поля. Тому не магнітне, а саме електричне поле діє на вільні заряджені частинки у великій котушці й примушує їх рухатись упорядковано, створюючи таким чином індукційний струм.

 

3. Чому в досліді з «кільцями Ленца» не можна застосовувати кільця та перекладину, виготовлені зі сталі?

Сталь є феромагнетиком і вона швидко намагнічується. Тому якщо використовувати сталь то до магніту буде притягуватися як суцільне кільце так і кільце з розрізом. І ми не зможемо спостерігати явища електромагнітної індукції.

4. Визначте напрямок індукційного струму в кільці. Свою відповідь обґрунтуйте.

Якщо вводити магніт, то зовнішнє магнітне поле посилюється, за законом збереження енергії в кільці виникає такий індукційний струм, магнітне поле якого заважає посиленню зовнішнього магнітного поля, кільце буде обернене до магніту однойменним полюсом (N).

 

5. Із замкнутої дротяної котушки виймають постійний магніт, як показано на рисунку. Визначте напрямок індукційного струму в котушці.

Якщо віддаляти магніт, то зовнішнє магнітне поле послаблюється, за законом збереження енергії в котушці виникає такий індукційний струм, магнітне поле якого посилює зовнішнє магнітне поле, котушка буде обернене до магніту різнойменним полюсом (S).

 

V. ПІДБИТТЯ ПІДСУМКІВ УРОКУ

Повідомлення оцінок за урок.

 

Бесіда за питаннями

Чи дізналися ви щось цікаве на уроці?

Що вам найбільше сподобалося з уроку?

 

VI. Домашнє завдання

Опрацювати § 8, Вправа № 8 (1, 2)

Підготувати по 4 питання з § 8 для іншої команди, команда яка краще всіх відповість на питання отримає +3 бали до бали до зароблених на уроці (максимально 12); 2 місце = +2 бали до зароблених на уроці; 3 місце = =1 бал до зароблених на уроці.

 

VII. ВІДПОВІДІ

№8

1. Це можливо за умови, якщо сила струму у зовнішній котушці буде змінюватися.

2. 1)

а) при піднесенні магніту до кільця магнітне поле в кільці посилюється та виникає індукційний струм такого напрямку, що кільце буде обернено до магніту однойменним полюсом та відштовхуватиметься;

б) якщо магніт віддаляти від кільця, то кільце притягуватиметься до магніту;

в) якщо магніт підносити до кільця південним полюсом, то кільце відштовхуватиметься від магніту.

2) струм напрямлений по передній стінці:

а) униз;

б) угору;

в) угору.

Напрямок індукції магнітного поля:

а) зліва направо;

б) справа наліво;

в) справа наліво.

3) Якщо магніт підносити до алюмінієвого кільця з розрізом, то кільце залишиться нерухомим, індукційний струм у кільці з розрізом не виникає.