Электромагнитная индукция. Самоиндукция. Энергия магнитного поля

Тема занятия: «Электромагнитная индукция. Самоиндукция. Энергия магнитного  поля» Вид занятия ­  смешанный. Тип занятия комбинированный. Учебные цели занятия:   Образовательные:  изучить явление самоиндукции, ввести понятие индуктивности и формулу для расчета энергии магнитного поля тока; повторить и обобщить знания обучающихся об электрических и магнитных полях; Развивающие:  продолжить развитие речи, мышления, внимания;  развивать умение обучающихся работать с текстом, выделять главную мысль  развивать творческиеспособностиобучающихся. Воспитательные:  воспитывать умение работать в группах для решения совместной задачи.  воспитывать   уважение   к   мыслям   своих   товарищей,   взаимовыручку   и взаимоподдержку.   способствовать   усилению Планируемые   образовательные   результаты: практической   направленности   в   обучении   физики,   формировании   умений применять полученные знания в различных ситуациях. Личностные:  способствовать эмоциональному восприятию физических объектов,  умению  слушать, ясно и точно излагать свои мысли, развивать  инициативу  и  активность  при решении физических задач, формировать умение  работать в группах. Метапредметные:  развивать умение понимать и использовать средства наглядности  (чертежи, модели, схемы). Развитие понимания сущности алгоритмических  предписаний и умений действовать в соответствии с предлагаемым алгоритмом. Предметные:  овладеть физическим языком, умением распознавать соединения  параллельные и последовательные, умение ориентироваться в электрической схеме,  собирать схемы. Умение обобщать и делать выводы. Ход занятия: 1. Организация начала урока (отметка отсутствующих, проверка готовности студентов к уроку, ответы на вопросы студентов по домашнему заданию) – 2­5 мин. Преподаватель сообщает учащимся тему урока, формулирует цели урока и знакомит  учащихся с планом урока. Учащиеся записывают тему урока в тетради. Преподаватель  создает условия для мотивации учебной деятельности. Проверка домашнего задания: Т­23. Магнитное поле и его графическое изображение. Неоднородное и однородное магнитное поле. Вариант 1. Магнитное поле создается... 1. А. Неподвижными заряженными частицами.  Б. Движущимися заряженными частицами. 2. На каком из рисунков направление линий индукции магнитного прямым проводником с током? правильно показано  поля, созданного  3. рисунка указано  правильное расположение линий магнитного поля вокруг прямолинейного проводника с током? На каком из вариантов 4. В какой точке рисунка магнитное поле тока, протекающего по проводнику МN, действует на магнитную стрелку с наименьшей силой? 5. На каком из вариантов рисунка правильно указано направление линий магнитного поля,  созданного проводником с током АВ? Т­23. Магнитное поле и его графическое изображение. Неоднородное и однородное магнитное поле. Вариант 2. 1. Движущиеся электрические заряды создают... А. Магнитное поле.   Б. Электрическое поле.  В. Электрическое и магнитное поле. 2. На каком из рисунков правильно линий индукции магнитного поля, созданного током? показано направление  прямым проводником с  3. В каком случае правильно изображено расположение линий магнитного поля катушки с  током (соленоида)? 4. В какой точке рисунка магнитное поле тока, протекающего по проводнику МN, действует на магнитную стрелку с наибольшей силой?  5. На рисунке показано сечение проводника с током. Электрический ток направлен  перпендикулярно плоскости рисунка, выходит из плоскости рисунка. В каком случае правильно  указано направление линий индукции магнитного поля, созданного этим током? Освоение нового материала: Самоиндукция ­ явление возникновения ЭДС индукции в проводящем контуре при изменении в  нем силы тока. Возникающая при этом ЭДС называется ЭДС самоиндукции. Проявление явления самоиндукции. Замыкание цепи. При замыкании в электрической цепи нарастает ток, что вызывает в катушке увеличение магнитного потока, возникает вихревое электрическое поле,  направленное против тока, т.е. в катушке возникает ЭДС самоиндукции,  препятствующая нарастанию тока в цепи (вихревое поле тормозит электроны).  В результате Л1 загорается позже, чем Л2.                                              Размыкание цепи. При размыкании электрической цепи ток убывает, возникает уменьшение  магнитного потока в катушке, возникает вихревое электрическое поле, направленное как ток (стремящееся сохранить прежнюю силу тока), т.е. в катушке возникает ЭДС  самоиндукции, поддерживающая ток в цепи. В результате Л при выключении ярко  вспыхивает. Индуктивность, или коэффициент самоиндукции — параметр электрической цепи,  который определяет ЭДС самоиндукции, наводимой в цепи при изменении протекающего по ней  тока или (и) ее деформации. Термином «индуктивность» обозначают также катушку  самоиндукции, которая определяет индуктивные свойства цепи. Самоиндукция  —   возникновение   ЭДС   индукции   в   проводящем   контуре   при изменении   в   нем  силы тока.  ЭДС   индукции   возникает   при   изменении   магнитного   потока. Если это изменение вызывается собственным током, то говорят об ЭДС самоиндукции: εis =– = –L ,  I  t  Ф  t где L — индуктивность контура, или его коэффициент самоиндукции. Индуктивность  —   физическая   величина,   численно   равная   ЭДС   самоиндукции, возникающей в контуре при изменении силы тока на 1 А за 1 с. Индуктивность можно рассчитать по формуле: Ф = L∙I, где       Ф ­ магнитный поток через контур,      I ­ сила тока в контуре.  Единица индуктивности в СИ генри (Гн): [L] = [ ] = [ ]= Гн;    1 Гн = 1  Ф I Вб А . сВ  А Индуктивность, как и электроемкость, зависит от геометрии проводника — его размеров и формы,  но   не   зависит   от   силы   тока   в   проводнике.   Кроме  того, индуктивность зависит  от магнитных свойств среды, в которой находится проводник. Индуктивность катушки зависит от: − числа витков,  − размеров и формы катушки; − от относительной магнитной проницаемости среды (возможен сердечник). Токи замыкания и размыкания При любом включении и выключении тока в цепи наблюдаются так называемые экстратоки  самоиндукции (экстратоки замыкания и размыкания), возникающие в цепи вследствие явле­ ния самоиндукции и препятствующие (согласно правилу Ленца) нарастанию либо убыванию тока в цепи. Индуктивность характеризует инерционность цепи по отношению к изменению в ней тока,  и ее можно рассматривать как электродинамический аналог массы тела в механике, являющейся  мерой инертности тела. При этом сила тока I играет роль скорости тела. Энергия магнитного поля тока. Найдем энергию, которой обладает электрический ток в проводнике. Согласно закону  сохранения энергии энергия магнитного поля, созданного током, равна той энергии, которую должен  затратить источник тока (гальванический элемент, генератор на электростанции и др.) на  создание тока. При прекращении тока эта энергия выделяется в той или иной форме.  Выясним, почему же для создания тока необходимо затратить энергию, т. е. необходимо  совершить работу. Объясняется это тем, что при замыкании цепи, когда ток начинает нарастать,  в проводнике появляется вихревое электрическое поле, действующее против того электрического  поля, которое создается в проводнике благодаря источнику тока. Для того чтобы сила тока стала  равной I, источник тока должен совершить работу против сил вихревого поля. Эта работа идет на  увеличение энергии магнитного поля тока. При   размыкании   цепи   ток   исчезает   и   вихревое   поле   совершает  положительную   работу. Запасенная  током   энергия   выделяется.   Это   обнаруживается   по   мощной   искре,   возникающей   при размыкании цепи с большой индуктивностью. Записать выражение для энергии тока I, текущего по цепи с индуктивностью L, (т. е. для энергии  магнитного поля тока), можно на основании аналогии между инерцией и самоиндукцией, о которой  говорилось выше. Если самоиндукция аналогична инерции, то индуктивность в процессе создания тока должна  играть ту же роль, что и масса при увеличении скорости тела в механике. Роль скорости тела в  электродинамике играет сила тока I как величина, характеризующая движение электрических зарядов. Если это так, то энергию тока Wм можно считать величиной, подобной кинетической энергии  тела   в механике, и записать в виде  Wм =  (**) 2mv 2 2LI 2 Именно такое выражение для энергии тока и получается в результате расчетов. Энергия тока (**) выражена через геометрическую характеристику проводника L, и силу тока в  нем I. Но эту же энергию можно выразить и через характеристики поля. Вычисления показывают, что  плотность энергии магнитного поля (т. е. энергия единицы объема) пропорциональна квадрату  магнитной индукции, подобно тому, как плотность энергии электрического поля пропорциональна  квадрату напряженности электрического поля. Магнитное поле, созданное электрическим током, обладает энергией, прямо пропорциональной  квадрату силы тока. Задачи. Самоиндукция. Индуктивность. 1. Какая  ЭДС самоиндукции возникает в катушке с индуктивностью 86 мГн, если ток 3,8А исчезает в ней за 0,012 с? 2. Определить  ЭДС самоиндукции, если в катушке с индуктивностью 0,016 мГн сила тока уменьшается со скоростью 0,5  к А  /с. 3. Какова индуктивность катушки, если при равномерном изменении в ней тока от 2 до 12 А за 0,1 с возникает ЭДС самоиндукции, равная 10 В?  4. Магнитный поток, пронизывающий контур проводника сопротивлением 0,2 Ом, равномерно изменяется с 1,2∙10­3  Вб до 0,4∙10­3 Вб за 2 мс. Определить силу тока в контуре. 5. В катушку сопротивлением 2 Ом течёт ток 3 А. Индуктивность катушки 50 мГн. Каким будет напряжение на зажимах катушки, если ток в ней равномерно возрастает со скоростью 200  ?  А с 6. Какова скорость изменения силы тока в   обмотке реле с индуктивностью 3,5 Гн, если в ней возбуждается ЭДС самоиндукции 105 В?   7. Катушку с ничтожно малым сопротивлением и индуктивностью 3 Гн присоединяют к источнику тока с ЭДС 15 В и  ничтожно малым внутренним сопротивлением. Через какой промежуток времени сила тока в катушке достигнет 50А? 8. Катушка индуктивностью 0,2 Гн подключена к источнику тока с ЭДС =10 В и внутренним сопротивление 0,4 Ом.  Определить общую ЭДС в момент размыкания цепи, если ток в ней исчезает за 0,04 с, а сопротивление проволоки катушки   1,6 Ом. 9. Катушка сопротивлением 10 Ом и индуктивностью 0,01 Гн находится в переменном магнитном поле. Когда  создаваемый этим полем магнитный поток увеличился на 0,01 Вб, ток в катушке возрос на 0,5 А. Какой заряд прошёл за это  время по катушке? Основные выводы: Самоиндукция­ это явление возникновения электромагнитной индукции в проводнике  при изменении силы тока, протекающего сквозь этот проводник. Электродвижущая сила индукции прямо пропорциональна скорости изменения тока,  протекающего сквозь проводник, взятого со знаком минус. Коэффициент  пропорциональности называют индуктивностью, которая зависит от геометрических  параметров про­водника: Проводник имеет индуктивность , равную 1 Гн, если при скорости изменения тока в  про­воднике, равной 1 А в секунду, в этом проводнике возникает электродвижущая  сила самоиндукции, равной 1В. С явлением самоиндукции человек сталкивается ежедневно. Каждый раз, включая или  выключая свет, мы тем самым замыкаем или размыкаем цепь, при этом возбуждая  индукционные токи. Иногда эти токи могут достигать таких  больших величин, что  внутри выключателя проскакивает искра, которую мы можем увидеть. Домашнее задание:  Открытие электромагнитной индукции, биография ученых  А. Тесла, Б.Вебер.