Явление электромагнитной индукции

1. Опыты Фарадея. Основной закон электромагнитной

индукции.

1. Опыты Фарадея. Основной закон электромагнитной индукции.

В 1831 году М. Фарадей многочисленными опытами установил, что в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока через поверхность, ограниченную данным контуром, возникает электрический ток.

Электромагнитная индукция (ЭМИ) – явление возникновения электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока через поверхность, ограниченную данным контуром.

Появление электрического тока (называемого индукционным током ) в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного поля, пронизывающего контур, свидетельствует о действии в контуре сторонних сил неэлектростатического происхождения или о возникновении ЭДС индукции .

Величина индукционного тока определяется скоростью изменения магнитного потока Ф , то есть значением , и не зависит от способа изменения магнитного потока Ф . При изменении знака меняется также направление индукционного тока.

Общее правило, по которому можно определить направление индукционного тока и которое является следствием закона сохранения и превращения энергии, было сформулировано Э.Х. Ленцем.

Правило Ленца : индукционный ток в замкнутом проводящем контуре всегда имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению внешнего магнитного потока, вызвавшего этот индукционный ток. Или короче: индукционный ток всегда направлен так, чтобы противодействовать вызвавшей его причине.

Индукционный ток, как и всякий электрический ток, может течь в цепи только при наличии в ней электродвижущей силы. Фарадей установил, что величина ЭДС индукции прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока.

Основной закон ЭМИ Фарадея : ЭДС индукции в проводящем контуре прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром:

Знак минус служит математическим выражением правила Ленца, то есть указывает на то, что электродвижущая сила противодействует происходящему изменению магнитного потока.

Если контур, в котором индуцируется ЭДС, состоит из N одинаковых витков, то ЭДС такого контура будет равна сумме ЭДС индукции в каждом из витков в отдельности:

Механизмы возникновения ЭДС индукции :

– действие силы Лоренца на заряды в движущемся проводнике;

– действие вихревого электрического поля на заряды в проводнике.

ЭДС индукции, возникающая в линейном проводнике, движущемся в магнитном поле:

Индукционные токи возникают не только в линейных проводниках, но и в массивных сплошных проводниках. Эти токи оказываются замкнутыми внутри проводника и поэтому называются вихревыми токами или токами Фуко .

Вихревые токи вследствие малого сопротивления сплошного проводника могут достигать очень большой силы. Тепловое действие их используется в индукционных печах для нагрева при закалке деталей. Tоки Фуко подчиняются правилу Ленца, поэтому движущиеся в сильном магнитном поле хорошие проводники испытывают сильное торможение, обусловленное взаимодействием вихревых токов с магнитным полем. Этим пользуются для успокоения подвижных частей гальванометров и других приборов. Во многих случаях токи Фуко бывают нежелательными, и для борьбы с ними приходится принимать специальные меры (например, сердечники трансформаторов набираются из тонких пластин).

2. Самоиндукция. Взаимная индукция.

Явление самоиндукции – это частный случай электромагнитной индукции. Данное явление состоит в возникновении ЭДС индукции в проводнике вследствие изменения магнитного потока, обусловленного электрическим током в этом же проводнике.

Самоиндукция – явление возникновения ЭДС индукции в проводнике при изменении в нём силы тока.

Электрический ток в контуре создаёт вокруг себя магнитное поле, индукция В которого, по закону Био-Савара-Лапласа при постоянной магнитной проницаемости, неизменной форме и ориентации контура в пространстве, пропорциональна силе тока I :

В ~ I .

Магнитный поток Ф через контур пропорционален по определению индукции В : Ф ~ В .

Поэтому магнитный поток через контур пропорционален силе тока в контуре:

Коэффициент пропорциональности L называется индуктивностью контура . Индуктивность зависит от размеров и формы проводника, магнитной проницаемости той среды, в которой он находится. В системе СИ:

ЭДС самоиндукции , возникающая в контуре с индуктивностью L , по закону ЭМИ равна:

ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна индуктивности и скорости изменения силы тока в контуре. Знак минус выражает правило Ленца: при возрастании силы тока ЭДС самоиндукции направлена навстречу ему, а при убывании – поддерживает ток в том же направлении.

Явление самоиндукции проявляется при всяком изменении силы тока и поэтому играет очень важную роль в цепях переменного тока и в процессах электромагнитных колебаний.

Явление самоиндукции можно наблюдать, собрав следующую электрическую цепь.

При включении источника тока лампа Л 1 вспыхивает мгновенно, а лампа Л 2 – через некоторый промежуток времени.

При отключении источника тока обе лампы Л 1 и Л 2 гаснут через некоторый промежуток времени.

Токи самоиндукции, возникающие в цепи постоянного тока в моменты замыкания и размыкания цепи, называются экстратоками замыкания и размыкания .

Ток при замыкании цепи меняется по закону:

а при размыкании цепи – по закону:

где R – сопротивление цепи, – установившийся ток.

При отключении источника ток в цепи возникает под действием ЭДС самоиндукции. Источником энергии, выделяющейся при этом в электрической цепи, является магнитное поле катушки. Энергия магнитного поля равна работе, которая затрачивается током на создание этого поля:

Следовательно, энергия магнитного поля будет равна:

Явление взаимной индукции – это другой частный случай электромагнитной индукции.

Взаимная индукция – явление возникновения ЭДС индукции в контуре, находящемся в магнитном поле другого контура с переменным током.

При протекании в контуре 1 тока I 1 в контуре 2 возникает ЭДС индукции:

Аналогично, при протекании в контуре 2 тока I 2 в контуре 1 возникает ЭДС индукции:

Коэффициенты пропорциональности , Гн называются взаимной индуктивностью контуров . Они зависят от размеров, формы, расположения контуров и от магнитной проницаемости среды, в которой находятся контуры.

На явлении взаимной индукции основан принцип действия трансформатора.

Трансформатор – устройство, применяемое для повышения или понижения напряжения переменного тока (Яблочков П.Н. , 1878 г.).

Первичная обмотка Вторичная обмотка

N 1 ← число витков → N 2

Отношение называют коэффициентом трансформации .

При k 1 трансформатор является повышающим , а при k – понижающим .

3. Принцип действия генератора тока.

Генератор тока – устройство, предназначенное для преобразования механической энергии в энергию электрического тока.

Принцип действия генератора тока, основанного на явлении ЭМИ, можно рассмотреть на примере плоской рамки, вращающейся в однородном магнитном поле между полюсами магнита.

Магнитный поток через площадь S рамки:

, ω – угловая скорость вращения рамки.

ЭДС индукции в рамке:

– амплитуда колебаний ЭДС.

Для усиления эффекта используются рамки с большим числом витков N . Тогда:

ЭДС индукции меняется по закону синуса.

Итоги занятия

Контрольные вопросы

1. В чем заключается явление электромагнитной индукции? Проанализируйте опыты Фарадея.

2. Что является причиной возникновения ЭДС индукции в замкнутом проводящем контуре?

3. Почему для обнаружения индукционного тока лучше использовать замкнутый проводник в виде катушки, а не в виде одного витка провода?

4. Сформулируйте правило Ленца, проиллюстрировав его примерами.

5. Что такое вихревые токи (токи Фуко)? Вредны они или полезны?

6. Почему сердечники трансформаторов не делают сплошными?

7. В чем заключаются явления самоиндукции и взаимной индукции?

8. Какая физическая величина выражается в генри? Дайте определение генри.

9. Что такое генератор тока?

10. Выведите выражение для ЭДС индукции в плоской рамке, равномерно вращающейся в однородном магнитном поле. За счет чего ее можно увеличить?

Урок по физике в 11 классе на тему:

«Электромагнитная индукция. Правило Ленца»

Цель урока:

образовательные : познакомить учащихся с явлением электромагнитной индукции, воспроизвести опыты Фарадея, показать, что индукционный ток появляется при изменении магнитного потока, пронизывающего контур; вывести формулу и уяснить физический смысл закона электромагнитной индукции; сформулировать правило Ленца.

воспитательные: формировать навыки коллективной работы в сочетании с самостоятельностью учащихся, воспитывать познавательную потребность и интерес к предмету;

развивающие: развивать способность быстро воспринимать информацию и выполнять практические задания; развивать логическое мышление и внимание, умение анализировать, сопоставлять полученные результаты, делать соответствующие выводы.

План урока:

Индукционный ток.

Электромагнитная индукция в современной технике

Закрепление темы: Лабораторная работа «Электромагнитная индукция»

Подведение итогов урока I . Постановка учебной задачи.

Мы с вами прошли тему «Магнитное поле». Сегодня нам предстоит выяснить, как вы усвоили этот материал. Обобщим знания о магнитном поле и продолжим совершенствовать умения объяснять магнитные явления.

II . Реализация опорных знаний.

Для этого мы должны с вами ответить на некоторые вопросы.

Что такое электрический ток?

Что необходимо для существования электрического тока?

Чем создается магнитное поле?

Как можно обнаружить магнитное поле?

Какая величина характеризует магнитное поле в каждой точке?

В каких единицах измеряют магнитную индукцию?

Чему равна 1Тл?

Какая величина характеризует магнитное поле в определенной области пространства?

В каких единицах измеряют магнитный поток?

Чему равен 1 Вб?

От чего зависит магнитный поток, пронизывающий площадь плоского контура, помещенного в однородное магнитное поле?

Дополните следующие определения:

А) Сила Лоренца-это..

Б) Сила Ампера –это..

В) Температура Кюри-это..

Г) Магнитная проницаемость среды характеризует..

13. Напишите формулы для расчетов:

А) Силы Лоренца

Б) Силы Ампера

В) Модуля вектора магнитной индукции

Г) Магнитного потока

Д) магнитной проницаемости среды

14. Сила Ампера применяется..

15. Сила Лоренца используется..

III . Изучение нового материала

Итак, после обобщения знаний о магнитном поле и продолжим совершенствовать умения объяснять магнитные явления.

Сегодня на уроке мы откроем новое явление, которое принадлежит к числу самых замечательных научных достижений первой половины 19 века, которое вызвало появление и бурное развитие электротехники и радиотехники. Итак, вперёд за знаниями!

Тема урока «Электромагнитная индукция. Правило Ленца»

Последовательность изложения нового материала

История открытия явления электромагнитной индукции.

Демонстрация опытов Фарадея по электромагнитной индукции.

Индукционный ток.

Причины возникновения индукционного тока.

Направление индукционного тока. Правило Ленца

Закон электромагнитной индукции.

Лабораторная работа «Электромагнитная индукция»

Ранее в электродинамике изучались явления, связанные или обусловленные существованием постоянных во времени (статических и стационарных) электрических и магнитных полей. Появляются ли новые явления при наличии переменных полей?

История открытия явления электромагнитной индукции.

На экране портрет М. Фарадея (1791 - 1867).

Библиографические сведения: М. Фарадей

Демонстрация опытов Фарадея по электромагнитной индукции, анализ опытов

Опыт 1. Внесение (вынесение) полосового магнита из замкнутого контура, соединенного с гальванометром.

Опыт 2. При замыкании (размыкании ключа), перемещении движка реостата, происходит изменение магнитного поля, пронизывающего катушку, в ней возникает ток.

Ток, который возникает в катушке, когда относительно нее движется постоянный магнит, назвали индукционным. Этот ток в катушке индуцируется, т. е. наводится движущимся магнитом. .Магнитное поле, которое не меняется индукционного тока не создает.

Опыт 3. Поворот рамки в магнитном поле.

Индукционный ток в контуре возникает тогда и только тогда, когда проводник пересекает силовые линии магнитного поля.

Индукционный ток.

Мы рассмотрели способы получения индукционного тока:

движение магнита относительно катушки;

движение катушки относительно магнита;

замыкание и размыкание цепи;

вращение рамки внутри магнита;

перемещение бегунка реостата;

движение одной катушки относительно другой.

Причины возникновения индукционного тока :

только при изменении магнитного потока, пронизывающего охваченную проводником площадь (при движении магнита и катушки относительно друг друга);

за счёт изменения силы тока в цепи (при замыкании и размыкании цепи);

за счёт изменения ориентации контура по отношению к линиям магнитной индукции.

Вывод: Только переменное магнитное поле может создать ток (индукционный ток). Отклонение стрелки гальванометра указывает на наличие индукционного тока в цепи катушки. Как только движение прекращается, прекращается и ток.

Что же мы сегодня изучили? Явление. Какое? Явление возникновения индукционного тока в замкнутом контуре. Это и есть явление электромагнитной индукции . Условие его возникновения – изменение числа линий магнитной индукции через поверхность, ограниченную контуром.

Во всех случаях можно отметить, что электрический ток возникает при изменении магнитного поля, т.е при изменении числа силовых линий, пронизывающих катушку. Переходя на язык физических величин, общей причиной возникновения тока можно назвать изменение магнитного потока, пронизывающего контур. Дальнейшие количественные исследования подтвердили, что явление электромагнитной индукции – это возникновение тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока через контур . Возникающий при этом ток называют индукционным током .

Объясним причину возникновения индукционного тока

Индукционный ток возникает под действием электрического поля, создающегося за счет изменения магнитного поля. Как всякое электрическое поле, оно совершает работу по перемещению заряда в цепи. Электрическое поле, возникающее в процессе изменения магнитного поля, не связано каким-либо распределением электрических зарядов. Переменное магнитное поле неразрывно связано с этим электрическим полем, и поэтому говорят, что в этом случае мы имеем дело электромагнитным полем. Силовые линии электрического поля, связанного с переменным магнитным полем, не имеют начала и конца - они замкнуты наподобие силовых линий магнитного поля. Такое поле называется вихревым. Вихревое электрическое поле, возникающее в процессе электромагнитной индукции, создает электрический ток в замкнутом проводнике, следовательно, оно способно вызывать циркуляцию электрических зарядов. В связи с этим возникает необходимость введения специальной энергетической характеристики вихревого электрического поля: электродвижущей силы индукции (сокращенно - ЭДС индукции). Обозначается ЭДС индукции буквой ε i .Электродвижущей силой индукции называется отношение работы, совершаемой вихревым полем при перемещении электрического заряда по замкнутому контуру, к модулю перемещаемого заряда:

ε i =A вихр /q

ЭДС индукции, как и напряжение, выражается в вольтах. По закону Ома для замкнутой цепи I i = ε i /R

где R - сопротивление всей замкнутой цепи. Опыты Фарадея показали, что сила индукционного тока I i в проводящем контуре прямо пропорциональна скорости изменения числа линий магнитной индукции, пронизывающих поверхность, ограниченную этим контуром.

Опыт 4 : внесение (вынесение) магнита в замкнутый контур сначала с одним магнитом, затем с двумя магнитами.

Вывод : величина тока зависит от величины магнитной индукции.

Если в катушку вносить один и тот же постоянный магнит (см. рис. 1), но с разной скоростью, то можно заметить, что при быстром движении магнита сила тока больше, чем при медленном.

Опыт 5: вносим магнит сначала медленно, затем быстро.

Вывод : величина тока зависит от скорости внесения магнита.

Поэтому сила индукционного тока пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром: I i ~ ∆Ф /∆ t

Так как R не зависит от ∆Ф то ЭДС индукции ε i ~∆Ф /∆ t

Таким образом, делаем вывод: ЭДС индукции пропорциональна скорости изменения магнитного поля, пронизывающего катушку.

Опыт 6. Зависимость ЭДС от числа витков в катушке.

Вывод: Сила индукционного тока, а следовательно, и ЭДС индукции пропорциональны числу витков вторичной катушки при одной и той же скорости изменения магнитного поля.

ε i ~N ·∆Ф /∆ t

ЭДС индукции совпадает по направлению с индукционным током.

Таким образом, из проделанных опытов мы делаем вывод: ЭДС индукции пропорциональна скорости изменения магнитного поля, пронизывающего катушку, и числу витков на ней. Опыты Фарадея показали, что сила индукционного тока I i в проводящем контуре прямо пропорциональна скорости изменения числа линий магнитной индукции, пронизывающих поверхность, ограниченную этим контуром.

Направление индукционного тока

Опыт 7: внесение (вынесение) магнита сначала северным полюсом, затем южным полюсом.

Вывод: направление тока зависит от направления магнитного поля.

Опыт 8. демонстрируют зависимость направления тока от замыкания или размыкания цепи первичной катушки.

Исследовав в 1831 году все важнейшие стороны электромагнитной индукции, Фарадей установил несколько правил для определения направления индукционного тока в различных случаях, однако общее правило ему найти не удалось. Оно было установлено позднее, в 1834 году петербургским академиком Эмилем Христиановичем Ленцем и носит поэтому его имя.

Правило Ленца.

Исследуя явление электромагнитной индукции, Э. X. Ленц в 1833 г. установил общее правило для определения направления индукционного тока: индукционный ток всегда имеет такое направление, чтобы своим магнитным полем препятствовать причине, вызвавшей этот ток.

Опыт 9. Демонстрация опыта Ленца. В установке, подносят магнит к сплошному кольцу. Видят: кольцо отталкивается от полюса магнита. Если же надеть кольцо на магнит и затем вытягивать магнит из него, то кольцо тянется за магнитом. Как видно, индуцируемый в кольце ток препятствует в первом случае приближению магнита, во втором - его удалению.

На основе подобных наблюдений русский учёный Э. Х. Ленц предложил следующее правило для определения направления тока, индуцируемого в проводнике: индукционный ток всегда направлен так, что его магнитное поле противодействует тому изменению магнитного поля, которое вызывает этот ток.

Направление индукционного тока определяют по правилу буравчика, по правилу правой руки.

Учитель: Для определения направления индукционного тока в замкнутом контуре используется правило Ленца : Индукционный ток имеет такое направление, что созданный им магнитный поток через поверхность, ограниченную контуром, препятствует изменению магнитного потока, вызвавшего этот ток.

Экспериментальная задача: в стальной сердечник трансформатора, подключенного к напряжению 220В (РНШ) вносят замкнутый контур с лампочкой. Почему загорается лампочка при этом?

6. Закон электромагнитной индукции

Мы установили, что Э.д.с. индукции в какой либо цепи прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока ∆ t – время, за которое происходит изменение магнитного потока. Знак минус показывает, что когда магнитный поток уменьшается (∆Ф – отриц.), э.д.с. создает индукционный ток, увеличивающий магнитный поток и наоборот. Закон электромагнитной индукции экспериментальным путём установил М. Фарадей. Немецкий физик и естествоиспытатель Г. Гельмгольц показал, что основной закон электромагнитной индукции ε i = – ∆Ф/∆ t является следствием закона сохранения энергии. ЭДС индукции в замкнутом контуре равна взятой с противоположным знаком скорости изменения магнитного потока, пронизывающего контур.

Выражение ε i = – ∆Ф/∆ t (1) , называемое законом Фарадея, является универсальным: оно справедливо для всех случаев электромагнитной индукции. Для катушки с N закон электромагнитной индукции имеет вид:

ε i = – N · ∆Ф/∆t , Ф=BS [Тл·м 2 В б ], 1 Вб= 1В·1с

Знак минус показывает, что ЭДС индукции Е i , направлена так, что магнитное поле индукционного тока препятствует изменению потока магнитной индукции ∆Ф. Если поток увеличивается (∆Ф > 0), то Е i < 0 и поле индукционного тока направлено навстречу потоку. Если же поток уменьшается (∆Ф < 0), то Е i > 0 и направление потока и поля индукционного тока совпадают.Таким образом явление электромагнитной заключается в появлении (наведении) в проводящем контуре, находящемся в магнитном поле, электродвижущей силы в случае изменения величины магнитного потока, проходящего через поверхность, ограниченную этим контуром . Выражение ε i = – N ·∆Ф/∆ t (1) представляет собой одну из математических записей закона электромагнитной индукции - ЭДС, наводимая в контуре электрической цепи, равна взятой с обратным знаком скорости изменения магнитного потока, проходящего через поверхность, ограниченную этим контуром .

7. Электромагнитная индукция в современной технике

Явление электромагнитной индукции лежит в основе работы индукционных генераторов электрического тока, на которые приходится практически вся вырабатываемая в мире электроэнергия.

Примеры использования явления электромагнитной индукции в современной технике:

специальные детекторы для обнаружения металлических предметов;

поезд на магнитной подушке;

электропечи для плавки металлов

бытовые микроволновые СВЧ – печи.

Закрепление изученного: Лабораторная работа « Изучение явления электромагнитной индукции»

Подведение итогов урока

9. Задание на дом : § 8-11.

Явление электромагнитной индукции было открыто выдающимся английским физиком М. Фарадеем в 1831 г. Оно заключается в возникновении электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменении во времени магнитного потока, пронизывающего контур.
Магнитным потоком Φ через площадь S контура называют величину

Φ = B · S · cos α,

Где B – модуль вектора магнитной индукции, α – угол между вектором и нормалью к плоскости контура (рис. 4.20.1).

Рисунок 4.20.1.
Магнитный поток через замкнутый контур. Направление нормали и выбранное положительное направление обхода контура связаны правилом правого буравчика.
Определение магнитного потока нетрудно обобщить на случай неоднородного магнитного поля и неплоского контура. Единица магнитного потока в системе СИ называется вебером (Вб). Магнитный поток, равный 1 Вб, создается магнитным полем с индукцией 1 Тл, пронизывающим по направлению нормали плоский контур площадью 1 м2:

1 Вб = 1 Тл · 1 м2.

Фарадей экспериментально установил, что при изменении магнитного потока в проводящем контуре возникает ЭДС индукции Eинд, равная скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, взятой со знаком минус:

Опыт показывает, что индукционный ток, возбуждаемый в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, всегда направлен так, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызывающего индукционный ток. Это утверждение называется правилом Ленца (1833 г.).
Рис. 4.20.2 иллюстрирует правило Ленца на примере неподвижного проводящего контура, который находится в однородном магнитном поле, модуль индукции которого увеличивается во времени.

Рисунок 4.20.2.
Иллюстрация правила Ленца. В этом примере а инд < 0. Индукционный ток Iинд течет навстречу выбранному положительному направлению обхода контура.
Правило Ленца отражает тот экспериментальный факт, что инд и всегда имеют противоположные знаки (знак «минус» в формуле Фарадея). Правило Ленца имеет глубокий физический смысл – оно выражает закон сохранения энергии.
Изменение магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур, может происходить по двум причинам.
1. Магнитный поток изменяется вследствие перемещения контура или его частей в постоянном во времени магнитном поле. Это случай, когда проводники, а вместе с ними и свободные носители заряда, движутся в магнитном поле. Возникновение ЭДС индукции объясняется действием силы Лоренца на свободные заряды в движущихся проводниках. Сила Лоренца играет в этом случае роль сторонней силы.
Рассмотрим в качестве примера возникновение ЭДС индукции в прямоугольном контуре, помещенном в однородное магнитное поле перпендикулярное плоскости контура. Пусть одна из сторон контура длиной l скользит со скоростью по двум другим сторонам (рис. 4.20.3).

Рисунок 4.20.3.
Возникновение ЭДС индукции в движущемся проводнике. Указана составляющая силы Лоренца, действующей на свободный электрон.
На свободные заряды на этом участке контура действует сила Лоренца. Одна из составляющих этой силы, связанная с переносной скоростью зарядов, направлена вдоль проводника. Эта составляющая указана на рис. 4.20.3. Она играет роль сторонней силы. Ее модуль равен

Работа силы FЛ на пути l равна

A = FЛ · l = eυBl.

По определению ЭДС

В других неподвижных частях контура сторонняя сила равна нулю. Соотношению для инд можно придать привычный вид. За времы Δt площадь контура изменяется на ΔS = lυΔt. Изменение магнитного потока за это время равно ΔΦ = BlυΔt. Следовательно,

Для того, чтобы установить знак в формуле, связывающей инд и нужно выбрать согласованные между собой по правилу правого буравчика направление нормали и положительное направление обхода контура как это сделано на рис. 4.20.1 и 4.20.2. Если это сделать, то легко прийти к формуле Фарадея.
Если сопротивление всей цепи равно R, то по ней будет протекать индукционный ток, равный Iинд = инд/R. За время Δt на сопротивлении R выделится джоулево тепло (см. § 4.11)

Возникает вопрос: откуда берется эта энергия, ведь сила Лоренца работы не совершает! Этот парадокс возник потому, что мы учли работу только одной составляющей силы Лоренца. При протекании индукционного тока по проводнику, находящемуся в магнитном поле, на свободные заряды действует еще одна составляющая силы Лоренца, связанная с относительной скоростью движения зарядов вдоль проводника. Эта составляющая ответственна за появление силы Ампера. Для случая, изображенного на рис. 4.20.3, модуль силы Ампера равен FA = IBl. Сила Ампера направлена навстречу движения проводника; поэтому она совершает отрицательную механическую работу. За время Δt эта работа Aмех равна

Движущийся в магнитном поле проводник, по которому протекает индукционный ток, испытывает магнитное торможение. Полная работа силы Лоренца равна нулю. Джоулево тепло в контуре выделяется либо за счет работы внешней силы, которая поддерживает скорость проводника неизменной, либо за счет уменьшения кинетической энергии проводника.
2. Вторая причина изменения магнитного потока, пронизывающего контур, – изменение во времени магнитного поля при неподвижном контуре. В этом случае возникновение ЭДС индукции уже нельзя объяснить действием силы Лоренца. Электроны в неподвижном проводнике могут приводиться в движение только электрическим полем. Это электрическое поле порождается изменяющимся во времени магнитным полем. Работа этого поля при перемещении единичного положительного заряда по замкнутому контуру равна ЭДС индукции в неподвижном проводнике. Следовательно, электрическое поле, порожденное изменяющимся магнитным полем, не является потенциальным. Его называют вихревым электрическим полем. Представление о вихревом электрическом поле было введено в физику великим английским физиком Дж. Максвеллом (1861 г.).
Явление электромагнитной индукции в неподвижных проводниках, возникающее при изменении окружающего магнитного поля, также описывается формулой Фарадея. Таким образом, явления индукции в движущихся и неподвижных проводниках протекают одинаково, но физическая причина возникновения индукционного тока оказывается в этих двух случаях различной: в случае движущихся проводников ЭДС индукции обусловлена силой Лоренца; в случае неподвижных проводников ЭДС индукции является следствием действия на свободные заряды вихревого электрического поля, возникающего при изменении магнитного поля.

Конспект 28. Электромагнитная индукция (ЭМИ).

5. Явление электромагнитной индукции

Определение. Магнитный поток – величина, характеризующая количество линий магнитной индукции, которые проходят через плоскую поверхность с заданной площадью (контур).
– внешний магнитный поток через контур, Вб
Где S – площадь контура, м²
α – угол между и перпендикуляром к контуру, град или рад

Явление электромагнитной индукции – явление возникновения индукционного тока в замкнутом проводнике (контуре), через который изменяется магнитный поток.
Механизм возникновения тока индукции:
1) Изменение магнитного потока приводит к возникновению вихревого электрического поля;
2) Вихревое (индукционное) электрическое поле действует на свободные заряды в контуре и разделяет их;
3) Разделение зарядов характеризуется ЭДС индукции, которая возникает в контуре;
4) При замкнутом контуре как следствие возникает ток индукции.
– закон электромагнитной индукции (ЭДС индукции в контуре), В
Где ∆t – интервал времени, с
– ЭДС индукции в катушке из N витков, В
– сила тока индукции в замкнутом контуре, А
Где R – сопротивление контура, Ом
– ЭДС индукции в двигающемся в МП прямом проводнике, В
Где l – длина проводника, м
υ – скорость движения проводника, м/с
α – угол между и , град или рад
Варианты возникновения ЭДС индукции:
1) Изменение вектора магнитной индукции .

2) Изменение площади контура ∆S :

3) Изменение угла α (поворот контура):

Замечание. На идее вращения рамки в магнитном поле основан принцип работы электрогенератора.
Правило Ленца (определение направления тока индукции). При изменении магнитного потока в контуре возникает ток, который препятствует изменению этого магнитного потока.
Алгоритм определения направления тока индукции:
1) Установить направлении линий магнитной индукции внешнего МП;
2) Выяснить, увеличивается или уменьшается поток внешнего МП через поверхность;
3) Установить направление магнитных линий индукционного тока по правилу Ленца: противоположно линиям внешнего поля при увеличении внешнего магнитного потока и одинаково направлены в случае уменьшения внешнего магнитного потока;
4) Определить направление тока индукции по правилу правой руки.

6. Явление самоиндукции

Явление самоиндукции – явление возникновения ЭДС индукции и индукционного тока в проводнике при изменении тока в нем.
Пояснение проявления самоиндукции:
1) При размыкании цепи основной ток в проводнике убывает, при этом согласно правилу Ленца возникает ЭДС самоиндукции и ток самоиндукции, который препятствует изменению магнитного потока в цепи. В итоге ток самоиндукции поддерживает основной ток, т.е. ток самоиндукции и основной ток сонаправлены;
2) При замыкании цепи по аналогичным рассуждениям ток самоиндукции противоположно направлен к основному току.
Замечание. Явление самоиндукции является частным случаем проявления электромагнитной индукции.
– ЭДС самоиндукции, В
Где ∆I – изменение силы тока в цепи, А
Определение. Индуктивность (L, ) – величина, характеризующая магнитные свойства проводника (катушки).
– собственный магнитный поток, который создает проводник с током, Вб
– энергия магнитного поля, Дж

Цель урока : сформировать понятие об индукционном токе, выработать умение определять направление индукционного тока с помощью правила Ленца.

Ход урока

Проверка домашнего задания

- Как было открыто явление электромагнитной индукции М. Фарадеем?

Показать опыты Фарадея по обнаружению электромагнитной индукции.

Сделать выводы и пояснить, что это за явление – электромагнитная индукция?

От чего зависит величина индукционного тока в контуре?

Что называется магнитным потоком?

На доске сделать чертеж и вывести формулу для вычисления магнитного потока.

Изучение нового материала

Если к катушке, в которой может возникнуть индукционный ток, подсоединить гальванометр, то можно заметить, что стрелка отклоняется в разные стороны в зависимости от того приближается магнит к катушке или удаляется; зависит отклонение стрелки гальванометра и от полюса магнита.

Значит, индукционный ток меняет свое направление. Катушка с протекающим током подобна магниту с южным и северным полюсом. Можно предсказать когда катушка будет притягивать магнит, а когда отталкивать.

Взаимодействие магнита с индукционным током.

Для того чтобы сблизить магнит и катушку надо совершить работу. Так как при приближении магнита к катушке на ближайшем конце у катушки возникает одноименный полюс, то магнит с катушкой отталкиваются. Если бы они притягивались, то был бы нарушен закон сохранения энергии. Доказать это положение. Подтвердить вывод с помощью прибора, изображенного на рисунке. Хорошо видно, как при приближении магнита к замкнутому кольцу, оно будет отталкиваться от магнита. При удалении магнита от кольца оно начинает притягиваться к магниту.

С разрезанным кольцом ничего не происходит, так как в нем не создается индукционный ток.

Отталкивает или притягивает катушка магнит, зависит от направления индукционного тока.

На основании закона сохранения энергии получили правило, позволяющее определять направление индукционного тока.

На первом рисунке видим, что при приближении магнита к катушке магнитный поток пронизывающий витки катушки увеличивается, а во втором случае – уменьшается.

На первом рисунке вновь созданные линии индукции выходят из верхнего конца катушки (катушка отталкивает магнит), на втором рисунке все наоборот.

Правило Ленца. Возникающий в замкнутом контуре индукционный ток своим магнитным полем противодействует тому изменению магнитного потока, которым он вызван.

Закрепление изученного материала.

Как определить направление индукционного тока?

Что произойдет в кольце, когда в него введут магнит, если кольцо сделано из: а) не проводника;

Б) проводника; в) сверхпроводника?