Конспект урока на тему : " Явление электромагнитной индукции"

Лекция по дисциплине: «Электротехнические основы источников питания»

Тема: Явление электромагнитной индукции

1. Явление электромагнитной индукции (опыты Фарадея). Правило Ленца.

2. Закон электромагнитной индукции.

3. Поток сцепленный с контуром.

 Индуктивность.  Индуктивность соленоида.

4. Явление самоиндукции.

5. Установление тока при замыкании

и исчезновение тока при размыкании электрической цепи

Задание: внимательно изучить теоретический материал и ответить на контрольные вопросы

1. Явление электромагнитной индукции (опыты Фарадея). Правило Ленца.

В предыдущих лекциях было показано, что электрические токи создают вокруг себя магнитное поле. Существует и обратное явление – магнитное поле вызывает появление электрических токов. Это явление было открыто М. Фарадеем в 1831г. и получило название электромагнитной индукции.

Электромагнитной индукцией называется явление возникновения ЭДС (электрического тока) в проводящем контуре при изменении магнитного потока, охватываемого этим контуром.

Электромагнитную индукцию Фарадей наблюдал в следующих опытах:

– при вдвигании или выдвигании магнита в катушку, подсоединенную к гальванометру;

– при приближении или удалении катушки с постоянным током к другой катушке, подсоединенной к гальванометру;

– в случае двух неподвижных, близко расположенных катушек, когда через одну из них протекает изменяющийся ток (например, при включении или выключении источника питания), а вторая подсоединена к гальванометру.

Во всех перечисленных опытах электромагнитная индукция проявляется в отклонении стрелки гальванометра, подсоединенного к катушке.

Такими простыми опытами были установлены основные закономерности электромагнитной индукции:

­– причиной возникновения ЭДС индукции является изменение магнитного потока;

– величина ЭДС индукции определяется скоростью изменения магнитного потока;

– знак ЭДС противоположен знаку изменения магнитного потока.

Знак ЭДС определяется общим правилом нахождения направления индукционного тока, правилом Ленца:

индукционный ток всегда имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызвавшего этот индукционный ток.

При приближении магнита к проводящему контуру магнитный поток Ф₁ увеличивается и в контуре  наводится индукционный ток I₁, который своим магнитным полем В₁ препятствует возрастанию магнитного потока (приближению магнита). При удалении магнита от контура магнитный поток Ф₂ уменьшается и в нем наводится ток I₂ противоположного направления, который своим магнитным полем В₂ препятствует уменьшению магнитного потока (удалению магнита).

2. Закон электромагнитной индукции.

На основе результатов опытов Фарадея и правила Ленца был установлен закон электромагнитной индукции, который гласит, что

ЭДС электромагнитной индукции, возникающая в замкнутом контуре, численно равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока, охватываемого этим контуром.

Математическая формула закона электромагнитной индукции имеет следующий вид

. (1)

Из формулы (1) следует, что при увеличении магнитного потока (∆Ф>0) ЭДС индукции имеет отрицательный знак, а при уменьшении магнитного потока (∆Ф<0) ЭДС имеет положительный знак.

Возникновение индукционного тока в неподвижном проводнике английский ученый Максвелл объяснил возникновением в нем электрического поля, которое порождается переменным магнитным полем. Циркуляция вектора напряженности Е_В этого поля по любому неподвижному проводящему контуру L представляет собой ЭДС электромагнитной индукции

. (2)

3. Поток, сцепленный с контуром. Индуктивность. Индуктивность длинного соленоида.

Если по контуру протекает электрический ток I, то вокруг него возникает магнитное поле с индукцией В, определяемой законом Био-Савара-Лапласа. Силовые линии поля, пересекая поверхность, охватываемую этим контуром, будут создавать магнитный поток Ф. Этот поток называют магнитным потоком, сцепленным с контуром т.к. он создан самим контуром.

Поскольку магнитный поток пропорционален магнитной индукции, а магнитная индукция пропорциональна силе тока, то магнитный поток пропорционален силе тока

, (3)

где коэффициент пропорциональности L выражает свойства контура и называется индуктивностью. Из формулы (3) можно получить размерность и единицу измерения индуктивности

,  .

Получим формулу для индуктивности соленоида длиной l, содержащего N витков площадью S. Магнитный поток через один виток определяется формулой , а через все витки – следующей формулой

. (4)

Магнитная индукция соленоида вычисляется по формуле

.(5)

Подставив формулу (5) в формулу (4) для магнитного потока, получим

. (6)

Сравнивая формулу (6) с формулой (3) получим для индуктивности соленоида

. (7)

Умножив и разделив правую часть формулы (7) на l, получим другую формулу для индуктивности соленоида

, (8)

где n– число витков на единицу длины соленоида, а V– объем соленоида.

Из формул (7) и (8) видно, что индуктивность зависит от числа витков, геометрических размеров соленоида и магнитной проницаемости (сердечника).

4. Явление самоиндукции.

Если сила тока в контуре будет изменяться, то будет изменяться и магнитный поток, сцепленный с контуром. Это приведет к возникновению в контуре ЭДС электромагнитной индукции, которая называется самоиндукцией.

Самоиндукцией называется явление возникновения ЭДС индукции в контуре при изменении в нем силы тока.

Получим формулу для ЭДС самоиндукции. Для этого формулу (3) подставим в формулу (1) закона электромагнитной индукции (при постоянной индуктивности)

. (9)

В данном случае причиной возникновения ЭДС является изменение силы тока. По правилу Ленца индукционный ток I_инд будет направлен противоположно току I при его увеличении и будет совпадать с током I по направлению при его уменьшении. То есть индукционный ток препятствует изменению тока I. Так как значение I_инд определяется индуктивностью, то можно сказать, что индуктивность характеризует инерционные свойства электрической цепи.

Препятствующее действие ЭДС самоиндукции проявляется в возникновении в цепи переменного тока дополнительного (реактивного) индуктивного сопротивления

. (10)

5. Установление и исчезновение тока при замыкании и размыкании электрической цепи.

При замыкании и размыкании электрической цепи сила тока в ней изменяется, вследствие чего возникает ЭДС самоиндукции. Эта ЭДС препятствует изменению силы тока. Препятствующее действие ЭДС самоиндукции проявляется в замедлении нарастания силы тока при замыкании цепи и ее убывания при размыкании цепи.

Найдем закон изменения силы тока в цепи, содержащей катушку с индуктивностью L, активное сопротивление R и источник постоянного тока с электродвижущей силой e₀.

В общем случае  в такой цепи действуют ЭДС самоиндукции и e₀, и сила тока определяется законом Ома

. (11)

Произведя разделение переменных в формуле (11) получим

. (12)

Интегрирование последнего уравнения при постоянных значениях величин ε₀, L и R приводит к следующему выражению

, (13)

где С – постоянная интегрирования.

Потенциирование формулы (13) дает

 (14).

 Полагая, что в начальный момент времени t=0, I=I₀, из формулы (14) получим значение постоянной С

. (15)

Если подставим (15) в (14), то после несложных преобразований получим

.(16)

При замыкании цепи начальное значение силы тока I₀=0, первое слагаемое формулы (16) обращается в ноль и закон нарастания силы тока в цепи имеет вид

. (17)

Сила тока нарастает тем медленнее, чем больше индуктивность цепи и меньше ее активное сопротивление.

При размыкании цепи (выключении источника) ε₀=0, второе слагаемое формулы (16) обращается в ноль и закон убывания силы тока в цепи имеет вид

. (18)

Сила тока убывает тем медленнее, чем больше индуктивность цепи и меньше ее активное сопротивление.

Контрольные вопросы:

1.      В чем заключается электромагнитная индукция? Что является причиной возникновения ЭДС индукции?

2.      Чем определяются величина и знак ЭДС индукции?

3.      В чем заключается самоиндукция?

4.      Что такое индуктивность, и в каких единицах она измеряется? Какие свойства электрической цепи характеризует индуктивность и в чем это проявляется?

5.      От чего зависит скорость нарастания или убывания силы тока в цепи при ее замыкании или размыкании?

6.