Практическая работа по теме Колебания предназначена для учеников 11 класса или студентов 1 курса учреждений СПО или НПО в целях закрепления материала и решения задач по теме Электромагнитная индукция, Самоиндукция на уроках или практических занятиях. Данная практическая работа рассчитана также на закрепление понятия Магнитный поток, Индуктивность.
Тема: Электромагнитная индукция. Самоиндукция
Практическая работа № 13 Основные закономерности явления электромагнитной
индукции, самоиндукции
Цель работы:
закрепить умение применять формулы, описывающие явление электромагнитной
индукции и самоиндукции при решении задач;
способствовать развитию умения логического мышления;
способствовать развитию познавательных способностей, самостоятельности,
ответственности.
Задание 1. Повторите основные понятия и формулы
Явление электромагнитной индукции было открыто выдающимся английским
физиком М.Фарадеем в 1831 году. 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:
где: B – модуль вектора магнитной индукции, α – угол между вектором магнитной
индукции B и нормалью (перпендикуляром) к плоскости контура, S – площадь контура, N –
количество витком в контуре. Единица магнитного потока в системе СИ называется
Вебером (Вб).
Фарадей экспериментально установил, что при изменении магнитного потока в
проводящем контуре возникает ЭДС индукции εинд, равная скорости изменения
магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, взятой со знаком минус:
Изменение магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур, может
происходить по двум возможным причинам.
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.
Вторая причина изменения магнитного потока, пронизывающего контур, –
изменение во времени магнитного поля при неподвижном контуре.
При решении задач важно сразу определить за счет чего меняется магнитный поток.
Возможно три варианта:
1. Меняется магнитное поле.
2. Меняется площадь контура.
3. Меняется ориентация рамки относительно поля.Самоиндукция является важным частным случаем электромагнитной индукции,
когда изменяющийся магнитный поток, вызывающий ЭДС индукции, создается током в
самом контуре. Если ток в рассматриваемом контуре по какимто причинам изменяется, то
изменяется и магнитное поле этого тока, а, следовательно, и собственный магнитный
поток, пронизывающий контур. В контуре возникает ЭДС самоиндукции, которая согласно
правилу Ленца препятствует изменению тока в контуре. Собственный магнитный
поток
, пронизывающий контур или катушку с током, пропорционален силе тока
Φ
I:
Коэффициент пропорциональности L в этой формуле называется коэффициентом
самоиндукции или индуктивностью катушки. Единица индуктивности в СИ называется
Генри (Гн).
Запомните: индуктивность контура не зависит ни от магнитного потока, ни от силы
тока в нем, а определяется только формой и размерами контура, а также свойствами
окружающей среды. Поэтому при изменении силы тока в контуре индуктивность остается
неизменной.
ЭДС самоиндукции, возникающая в катушке с постоянным значением
индуктивности, согласно формуле Фарадея равна:
Итак ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна индуктивности катушки и
скорости изменения силы тока в ней.
Магнитное поле обладает энергией. Подобно тому, как в заряженном конденсаторе
имеется запас электрической энергии, в катушке, по виткам которой протекает ток,
имеется запас магнитной энергии.
Энергия Wм магнитного поля катушки с
индуктивностью L, создаваемого током I, может быть рассчитана по одной из формул (они
следуют друг из друга с учётом формулы Φ = LI):
Правило Ленца для определения направления индукционного
тока: возникающий в контуре индукционный ток имеет такое направление, что
создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, которое
вызывало этот ток.
Задание 2. Решите количественные задачи.
Задача 1. В катушке с индуктивностью L происходит изменение силы тока на ΔI за
период времени Δt. При этом возникает ЭДС самоиндукции εsi. Найдите величину,
обозначенную знаком ?
Вариант
ΔI, А
Δt, с
L, мГн
εsi, В
1
?
5
5
0,015
2
3
?
12
0,024
3
10
2
?
0,15
4
8
2
4
?
5
?
3
50
0,25
6
6
?
42
0,084
7
24
1,5
?
0,112
8
30
6
8
?
9
?
0,5
10
0,08
10
8
?
6
0,032Задача 2. Одиночный проводящий контур с площадью S находится в однородном
магнитном поле с индукцией B и располагается так, что линии индукции образуют с
нормалью к площади контура угол
контур равен Ф. Найдите величину, обозначенную знаком ?
α
. При этом магнитный поток, пронизывающий данный
Вариант
В, Тл
S, м2
<α, ˚
Ф, мВб
1
0,4
?
30
206,4
2
20
0,5
?
5000
3
10
0,03
45
?
4
?
0,02
60
50
5
8
?
30
550,4
6
15
0,06
?
639
7
12
0,04
60
?
8
?
0,005
0
300
9
20
?
60
400
10
30
0,1
?
2130
Задача 3. Одиночный проводящий контур с площадью S в начальный момент
времени находится в однородном магнитном поле с индукцией B1, при этом магнитный
поток, пронизывающий данный контур равен Ф1. в конечный момент времени индукция
однородного магнитного поля изменилась и приняла значение B2, при этом магнитный
поток, пронизывающий данный контур стал равен Ф2. Изменение индукции магнитного
поля и магнитного потока произошло за время, равное Δt, что вызвало возникновение ЭДС
индукции εi. Контур располагается так, что линии индукции образуют с нормалью к
площади контура угол =0. Найдите величины, обозначенные знаком ?
α
Вариант
В1, Тл
В2, Тл
S, м2
Ф1, Вб
Ф2, Вб
Δt, с
εi, В
1
?
0,06
0,02
0,000
8
?
0,004
?
2
0,5
?
0,1
?
0,08
?
0,45
3
?
0,9
0,05
0,005
?
0,08
?
4
2
?
0,03
?
0,3
?
2,4
5
?
9
0,04
0,04
?
0,4
?
6
0,2
?
0,1
?
0,22
?
0,2
7
?
0,9
0,02
0,06
?
6
?
8
2
?
0,04
?
0,4
?
4
9
?
7,5
0,05
0,075
?
0,05
?
10
0,2
?
0,02
?
0,02
?
4
Задача 4. Через одиночный проводящий контур произошло изменение магнитного
потока на ΔФ за период времени Δt, вызвав тем самым возникновение ЭДС индукции εi в
контуре. Контур обладает сопротивлением R, поэтому сила индукционного тока равна Ii.
Найдите величины, обозначенные знаком ?, а также количество теплоты Q, выделившее в
контуре за время Δt.
Вариант
ΔФ, мВб
Δt, с
εi, В
Ii, А
R, Ом
Q, Дж
1
?
0,2
2,5
?
0,5
?
2
600
?
2
16
?
?
3
400
0,1
?
?
0,4
?
4
?
0,05
9
4,5
?
?
5
800
?
4
?
0,25
?
6
600
0,4
?
3
?
?
7
?
0,3
3
?
0,25
?
8
250
?
5
12,5
?
?
9
450
0,6
?
?
0,25
?
10
?
0,4
1,2
4
?
?