Презентація "Електромагнітна індукція"

Електромагнітна індукція

1. Явище електромагнітної індукції. В 1820 році датський фізик Ерстед довів, що навколо провідника зі струмом існує магнітне поле. Під дією магнітного поля струму магнітна стрілка відхилялася від свого положення рівноваги. Між електричним і магнітним полями існує тісний взаємозв’язок. Змінне магнітне поле породжує змінне електричне, а змінне електричне – магнітне. Навколо провідника зі струмом виникає магнітне поле.

Вирішальний крок у відкритті нових властивостей електромагнітних взаємодій зробив основоположник уявлень про електромагнітне поле – видатний англійський фізик Майкл Фарадей. Провів 16 тис. дослідів. Майкл Фарадей(1791-1867)29 серпня 1831 року Фарадей встановив, що в замкнутому провіднику виникає електричний струм при будь-яких змінах магнітного поля через площу, обмежену цим провідником.

Явище електромагнітної індукції полягає у виникненні електричного струму в замкненому провіднику під дією змінного магнітного поля. Струм, який виникає в провіднику при електромагнітній індукції називається індукційним ( І і ).

1. Електричний струм у замкненому провідному контурі індукується тільки тоді, коли змінюється магнітний потік через поверхню, обмежену контуром.2. Чим швидше змінюється магнітний потік, тим більшою є сила індукційного струму в контурі.3. Напрямок індукційного струму в контурі залежить від того, збільшується чи зменшується магнітний потік через поверхню, обмежену контуром. Чому в контурі взагалі є електричний струм, адже контур не приєднаний до джерела живлення? 2. Загальні закономірності в дослідах Фарадея.

3. Правило Ленца. “Правило букв” для кругового струму. (Правило Ленца є законом збереження і перетворення енергії в електромагнітних процесах)𝐵 виходить на нас 𝐵 входить від нас 

3. Правило Ленца.Індукційний струм в замкнутому провіднику завжди має такий напрям, що створений цим струмом власний магнітний потік протидіє тим змінам зовнішнього магнітного потоку, які збуджують індукційний струм.

1. Визначити напрям вектора В зовнішнього поля;Щоб визначити напрям індукційного струму в контурі треба: 2. З’ясувати збільшується магнітний потік (ΔΦ>0) чи зменшується (ΔΦ< 0); 3. Установити напрям Ві магнітного поля індукційного струму за правилом Ленца ( якщо ΔΦ> 0, то Ві    В; якщо ΔΦ< 0, то Ві    В ); 4. Знаючи напрям Ві, знайти напрям індукційного струму Іі (за правилом свердлика або букв).

Визначити напрям індукційного струму в кільці з провідника, якщо індукція магнітного поля

Якісна задача Які явища відбудуться в кільці, якщо в нього ввести магніт, якщо кільце зроблено із:а) діелектрика;б) провідника;в) надпровідника.

Напрямок індукційного струму. Магнітне поле всередині котушки. Посилюється. Послаблюється

4. Електрорушійна сила індукції ( ЕРС індукції ). Досліди Фарадея показали, що сила індукційного струму пропорційна зміні магнітного потоку, швидкості руху магніту, кількості витків n (або N). Якщо за малий час ∆t магнітний потік змінюється на величину ∆Φ, то  ∆Ф∆𝑡– швидкість зміни магнітного потоку 𝐼𝑖~∆Ф∆𝑡𝑛  Для контура (n = 1) сила індукційного струму пропорційна швидкості зміни магнітного потоку через поверхню, обмежену контуром:𝐼𝑖~∆Ф∆𝑡  Якщо котушка має n витків, то

4. Електрорушійна сила індукції ( ЕРС індукції ). Електрорушійна сила індукції (ЕРС індукції) 𝜀i – це робота сторонніх сил Aст по переміщенню одиничного позитивного заряду  𝜀𝑖=𝐴ст𝑞  В колі виникає електричний струм тоді, коли на вільні заряди провідника діють сторонні сили. Роботу цих сил під час переміщення одиничного заряду вздовж замкнутого контура називають ЕРС. Із змінною магнітного потоку через поверхню, обмежену контуром, у контурі виникають сторонні сили, дія яких характеризується ЕРС, що називається ЕРС індукції.

4. Електрорушійна сила індукції (ЕРС індукції).𝐼𝑖=𝜀𝑖𝑅  Згідно з законом Ома для замкнутого кола: 𝐼=𝜀𝑅+𝑟  Внутрішній опір джерела 𝑟=0, тому Опір R не залежить від змін магнітного потоку ( 𝑅=𝜌𝑙𝑆 )  𝐼𝑖~𝜀𝑖 

ЕРС індукції в замкнутому контурі дорівнює швидкості зміни магнітного потоку з часом, взятій зі знаком „ – ”. 5. Закон електромагнітної індукції Фарадея.𝜀𝑖=−∆Ф∆𝑡 𝜀𝑖=−𝑁∆Ф∆𝑡 “ – ” відображає правило Ленца. Контур містить N витків проводу Закон електромагнітної індукції формулюється для ЕРС, а не для індукційного струму тому, що при такому формулюванні закон виражає суть явища, що не залежить від властивостей провідників, у яких виникає індукційний струм.

6. Вихрове електричне поле і його зв’язок з магнітним полем. Увімкнувши первинну обмотку трансформатора в мережу змінного струму, дістанемо струм у вторинній обмотці. Які сили змушують рухатися електрони у вторинній обмотці?Магнітне поле цього зробити не може, бо воно діє на рухомі електрони, а провідник з електронами, що в ньому є – нерухомий. Ще може діяти електростатичне поле, але ж індукційний струм виникає під дією змінного магнітного поля.

6. Вихрове електричне поле і його зв’язок з магнітним полем. Пояснити явище електромагнітної індукції можна тим, що змінне магнітне поле породжує електричне, яке і збуджує в замкненому провіднику індукційний струм. Пояснив явище електромагнітної індукції – Максвелл. Він створив теорію електромагнітного поля. За теорією Максвелла в просторі, в якому змінюється магнітне поле, обов’язково виникає вихрове електричне поле (його лінії напруженості – замкнені). Джеймс Клерк Максвелл(1831-1879) Вихрове електричне поле виникає не обов’язково в провідниках, воно виникає і в просторі, де немає провідників.

7. Вихрові струми Фуко. Особливо великі індукційні струми виникають у масивних провідниках, які або рухаються в змінних магнітних полях, або які пронизує змінний магнітний потік, бо їх опір – малий. Ці струми називають вихровими або струмами Фуко. Згідно з правилом Ленца вони напрямлені так, що викликають протидію руху провідника. Вихрові струми використовують в індукційних печах для плавлення металів у вакуумі. Cтруми Фуко — вихрові індукційні струми, які виникають у масивних провідниках при зміні магнітного потоку, який їх пронизує. 

8. ЕРС індукції при русі провідника у магнітному полі. Якщо провідник довжиною l рухається в магнітному полі з індукцією 𝐵 так, що 𝑣⊥𝐵, то разом із провідником будуть рухатись його електрони. Зі сторони магнітного поля на них діє сила Лоренца - 𝐹л . За допомогою правила лівої руки можна встановити, що електрони будуть рухатися до кінця проводу А.

8. ЕРС індукції при русі провідника у магнітному полі𝐹ел=𝐸𝑞=𝑈𝑞𝑙 𝐹л=𝑞𝜈𝐵sin𝛼 𝑈𝑞𝑙=𝑞𝜈𝐵sin𝛼 𝑈=𝐵𝜈𝑙𝑠𝑖𝑛𝛼 Напруга U, що виникає між кінцями провідника, створить електричну силу, яка зрівноважить силу Лоренца 𝐹л. Зміщення електронів до кінця А припиниться коли Fел = Fл Так як напруга на полюсах при розірваному колі дорівнює ЕРС, то ЕРС індукції, що виникає при русі провідника в магнітному полі:𝜀𝑖=𝐵𝜈𝑙sin𝛼 Сторонніми силами, що створюють ЕРС є магнітні сили, що діють на вільні електрони в провіднику зі сторони магнітного поля.

Напрям індукційного струму, що виникає в прямолінійному провіднику при його русі в магнітному полі визначається правилом правої руки: Якщо праву руку розташувати вздовж провідника так, щоб лінії магнітної індукції входили в долоню, а відігнутий великий палець показував напрям руху провідника, то чотири витягнутих пальці покажуть напрям індукційного струму в провіднику.

9. Явище самоіндукції при замиканні та розмиканні кола. ЕРС самоіндукції. Явище електромагнітної індукції спостерігається, коли змінюється магнітний потік через контур. Провідник із струмом міститься у власному магнітному полі, і, якщо це поле змінюється, то в провіднику виникне ЕРС індукції. Власне магнітне поле змінюється, коли замикати і розмикати коло, а також при зміні в ньому сили струму. Виникнення ЕРС індукції в колі при зміні магнітного поля струму, що тече в ньому самому, називають явищем самоіндукції. ЕРС, що з’являється при цьому - ЕРС самоіндукції.

При замиканні кола лампочка загорається з деяким запізненням. Це пояснюється виникненням у котушці ЕРС самоіндукції, яка, згідно з правилом Ленца, заважає швидкому збільшенню струму в колі.9. Явище самоіндукції при замиканні та розмиканні кола. ЕРС самоіндукції.

При розмиканні кола залишається замкненим коло котушки і лампочки. Так як струм у котушці швидко спадає, то в ній створюється ЕРС самоіндукції, яка перешкоджає спаду струму. При цьому котушка на маленький час стає джерелом енергії, яка підтримує струм у лампочці. В момент розмикання кола струм у лампі спадає до 0, і, змінивши напрям, стрибком збільшується до такої величини, яка може бути значно більше, ніж сила струму в лампі до розмикання. Тому лампа в момент розмикання може яскраво спалахнути і, навіть, перегоріти. Явище самоіндукції подібне до явища інерції в механіці.9. Явище самоіндукції при замиканні та розмиканні кола. ЕРС самоіндукції.

де L - коефіцієнт пропорційності між струмом у провідному контурі і магнітним потоком, що пронизує цей контур, він називається індуктивністю провідника, або коефіцієнтом самоіндукції. Ф=𝐿∙𝐼 𝜀с=−∆Ф∆𝑡=−𝐿∆𝐼∆𝑡  ЕРС самоіндукції пропорційна швидкості зміни сили струму в цьому колі.9. Явище самоіндукції при замиканні та розмиканні кола. ЕРС самоіндукції.

Індуктивність залежить від: 1) розмірів провідника;2) його форми;3) магнітних властивостей середовища в якому знаходиться провідник.Індуктивність не залежить від сили струму в провіднику.Індуктивність ( L ) - це фізична величина, яка чисельно дорівнює ЕРС самоіндукції, що виникає в контурі внаслідок зміни струму на 1 А за 1с.

Індуктивність провідника дорівнює 1 Гн (Генрі), якщо в ньому із зміною сили струму на 1 А за 1с виникає ЕРС самоіндукції в 1 В. Якщо змінювати силу струму в провіднику, в ньому виникає вихрове електричне поле, яке гальмує рух електронів, якщо сила струму зростає, і прискорює, коли сила струму зменшується.𝐿=1 В1 А/с=1 В∙с. А=1 Вб. А=1 Гн 

10. Енергія магнітного поля. Густина енергії. Під час замикання кола частина енергії джерела струму завжди йде на створення магнітного поля. Тому магнітне поле має енергію, що дорівнює роботі, затраченій струмом на створення цього поля. Саме наявністю енергії магнітного поля пояснюється явище електромагнітної індукції, зокрема явище самоіндукції. Явище електромагнітної індукції грунтується на взаємних перетвореннях енергії електричного і магнітного поля.

10. Енергія магнітного поля. Густина енергії. Нехай в котушці з індуктивністю L за час Δt струм зростає від 0 до І. В момент зростання сили струму джерело здійснює роботу проти індукційного електричного поля, яке протидіє наростаню сили струму. Енергія магнітного поля дорівнює цій роботі.𝑊𝑀=−𝐴=−𝜀𝑖𝑞=−𝜀𝑖𝐼𝑐∆𝑡 𝜀𝑖=−𝐿∆𝐼∆𝑡 ∆𝐼=𝐼 𝐼𝑐=𝐼2 𝑊𝑀=−−𝐿∆𝐼∆𝑡∙𝐼2∙∆𝑡=𝐿𝐼22 𝑊𝑀=𝐿𝐼22  WM зосереджена в магнітному полі, хоча виражена через індуктивність провідника і силу струму в колі.𝑊=𝐵2𝑉2𝜇𝜇0  w=𝐵22𝜇𝜇0  - густина енергії магнітного поля.

11. Електромагнітне поле. Аналізуючи явище електромагнітної індукції, Максвелл зробив висновок про те, що змінне магнітне поле збуджує вихрове електричне поле. Далі Максвелл припустив, що так само змінне електричне поле збуджує вихрове магнітне поле. Правильність гіпотези Максвелла було доведено експериментальним відкриттям електромагнітних хвиль. Після відкриття взаємозв΄язку між змінним електричним і магнітним полями стало ясно, що ці поля не існують відособлено, незалежно одне від одного. Електричне і магнітне поля - це прояв єдиного цілого - електромагнітного поля (залежно від системи відліку проявляються ті чи інші властивості поля). Електромагнітне поле - особлива форма матерії, через яку відбувається взаємодія між зарядженими частинками. Воно існує реально, незалежно від нас, від наших знань про нього.