Исследование работы индукционного тока

Государственное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Республиканская кадетская школа-интернат»

Индивидуальный проект

«Исследование работы индукционного тока»

по предмету «Физика»

Выполнил:

Иванов Егор, ученик 10 класса

Руководитель:

Рабдаева.В.Д., учитель физики

Улан-Удэ

2021

Оглавление:

1. Введение

2. Магнитное поле

2.1 История

2.2 Источник магнитного поля

2.3 Проявление магнитного поля

2.4 Магнитные линии 

3. Электрический ток 

3.1 Виды тока 

3.2 Характеристика Электрического поля

3.3 Закон Джоуля-Ленца

3.4 Явление электромагнитной индукции

3.5 Правило Ленца

4. Электромагнитное поле

5. Применение индукционного поля

6. Опыт

7. Приложение 

8. Заключение

9. Литература

Введение

Я выбрал эту тему, потому что она меня заинтересовала, когда я узнал о принципе работы электромагнитного гитарного звукоснимателя. Взяв эту тему, хочу улучшить свои знания в разделе физики: «Электромагнитное поле», так же хочу смастерить свой звукосниматель, который будет вырабатывать электричество за счёт механической работы выполняемой объектом, имитирующим гитарную струну.

Актуальность

Понятие электромагнитной индукции является одним из ключевых понятий в физике, электромагнитная индукция окружает нас повсюду и умение эффективно применять и использовать ее является одним из основных умений современного культурного и образованного человека, инженера, конструктора, ученого.

Объект исследования

Электромагнитная индукция.

Цель работы

Изучить явление электромагнитной индукции и на основе полученной информации сделать электромагнитный звукосниматель.

Для достижения поставленной нами цели были выделены следующие задачи:

1. Изучить научную, научно-популярную и научно-познавательную литературу по данному вопросу, цифровые образовательные ресурсы, ресурсы Интернет.

2. Рассмотреть природу электромагнитной индукции.

3. Рассмотреть принципы работы некоторых устройств, в том числе электрогитару, в основе работы которых лежит явление электромагнитной индукции.

4. Соблюдая принцип работы попытаться создать максимально похожий генератор электроэнергии, насколько позволяют подручные средства.

5. Сделать выводы по проделанной работе.

История открытия

Майкл Фарадей потратил 10 лет для нахождения способа получения тока из магнитного поля, экспериментируя с магнитами и катушками. Наконец, он открыл следующий эффект, если на проводник воздействовать сильным магнитным полем, то в нём возникает электрический ток.

Если мы подсоединим проводник к миллиамперметру, то увидим, как стрелка миллиамперметра еле заметно колеблется эффект момент, когда магнит движется. Чем быстрее движется магнит, тем больший ток создается. Этот эффект был назван электромагнитной индукцией. Именно на основе этого простого эффекта сейчас вырабатывается более 90% всей электрической энергии на нашей планете.

Источники магнитного поля

Магнитное поле – это особый вид материи, создаётся (порождается) током заряженных частиц, или изменяющимся во времени электрическим полем, или собственными магнитными моментами частиц (последнее постоянный магнит). На рисунке 1 изображено: Электрический ток(I), проходя по проводнику, создаёт магнитное поле (B) вокруг проводника.

Проявление магнитного поля

Магнитное поле проявляется в воздействии на магнитные моменты частиц и тел, на движущиеся заряженные частицы (или проводники с током). Сила, действующая на движущуюся в магнитном поле электрически заряженную частицу, называется силой Лоренца. (Сила Лоренца — сила, с которой электромагнитное поле согласно классической электродинамике действует на точечную заряженную частицу.)

МАГНИТНЫЕ ЛИНИИ (или иначе линии магнитной индукции).

- это воображаемые линии, вдоль которых располагаются магнитные стрелки, помещенные в магнитное поле. Магнитные линии можно провести через любую точку магнитного поля, они имеют направление и всегда замкнуты. Эти линии используют для изображения магнитного поля. На рисунке 2 изображены магнитные линии стрелочками вокруг магнита.

Электрический ток 

Электрический ток — направленное (упорядоченное) движение заряженных частиц. Такими частицами могут являться: в металлах — электроны, в электролитах — ионы (катионы и анионы), в газах — ионы и электроны, в вакууме при определенных условиях — электроны, в полупроводниках — электроны и дырки (электронно-дырочная проводимость). Иногда электрическим током называют также ток смещения, возникающий в результате изменения во времени электрического поля.

Электрический ток имеет следующие проявления:

•нагревание проводников (в сверхпроводниках не происходит выделения теплоты);

• изменение химического состава проводников (наблюдается преимущественно в электролитах);

• создание магнитного поля (проявляется у всех без исключения проводника)

Виды тока

Различают переменный, постоянный и пульсирующий электрические токи, а также их всевозможные комбинации. В таких понятиях часто слово «электрический» опускают.

• Постоянный ток — ток, направление и величина которого слабо меняются во времени.

• Переменный ток — ток, величина и направление которого меняются во времени. В широком смысле под переменным током понимают любой ток, не являющийся постоянным. Среди переменных токов основным является ток, величина которого изменяется по синусоидальному закону.

• Пульсирующий электрический ток — это электрический ток, изменяющий свое значение с течением времени, но не изменяющий (как переменный) направления.

Характеристика электрического тока

Сила тока — физическая величина, равная отношению количества заряда, прошедшего за некоторое время через поперечное сечение проводника, к величине этого промежутка времени. Сила тока в Международной системе единиц (СИ) измеряется в амперах (русское обозначение: А). По закону Ома сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению, приложенному к этому участку цепи, и обратно пропорциональна его сопротивлению:

I=U/R

[I]=[A]

Мощность электрического тока – это отношение произведенной им работы ко времени в течение, которого совершена работа.

   P=A/t=UI

  [p]=[Вт]

Работа электрического тока показывает, какая работа была совершена электрическим полем при перемещении зарядов по проводнику.

A=UIt

[A]=[Дж]

Напряжение – равно разности потенциалов на участке цепи. Напряжение измеряется прибором – вольтметром, который включается параллельно проводнику (сопротивлению); 

[U]=[B]

Сопротивление проводника (R) – ровняется произведению удельного сопротивления проводника(p) его длины (ℓ),деленное на площадь поперечного (s).     

 R=pℓ/S

Закон Джоуля — Ленца

При наличии тока в проводнике совершается работа против сил сопротивления. Как правило, большая часть работы электрического тока выделяется в виде тепла. Мощностью тепловых потерь называется величина, равная количеству выделившегося тепла в единицу времени. Согласно закону Джоуля — Ленца мощность тепловых потерь в проводнике пропорциональна силе протекающего тока и приложенному напряжению:

Явление электромагнитной индукции

 В 1822 году английский ученый Майкл Фарадей поставил перед собой задачу «Превратить магнетизм в электричество» и в 1831 году Майклом было открыто явление электромагнитной индукции.

Это явление заключается в том, что при всяком изменении магнитного потока, пронизывающего контур замкнутого проводника, в этом проводнике возникает электрический ток, существующий в течение всего процесса изменения магнитного потомка. На рисунке 3 изображено, что во время движения магнита в катушке, показания гальванометра никогда не будут равняться нулю.

Третий рисунок так же показывает, что индукционный ток является переменным током так как стрелка гальванометра отклоняется в обе стороны от нулевого положения.

Правило Ленца

Возникающий в замкнутом контуре индукционный ток своим магнитным полем противодействует тому изменению магнитного потока, которое воззвало этот ток.

Это правило можно подтвердить на опыте. В установке, изображенной на рисунке 4, 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.

В том, что причиной движения кольца является именно индукционный ток, а не другая причина (например, движение воздуха), можно убедиться. Попробуйте приближать или удалять магнит относительно кольца с разрезом. Увидите, что кольцо не движется. Дело в том, что в разрезанном кольце индукционный ток не возникает, а, следовательно, оно с магнитом не взаимодействует.

Электромагнитное поле

Электромагнитное поле — фундаментальное физическое поле, взаимодействующее с электрически заряженными телами, а также с телами, имеющими собственные дипольные и мультипольные электрические и магнитные моменты. Представляет собой совокупность электрического и магнитного полей, которые могут, при определённых условиях, порождать друг друга, а по сути, являются одной сущностью, формализуемой через тензор электромагнитного поля.

Теорию электромагнитного поля создал Клерк Максвелл в 1865 году. Он теоретически доказал, что всякое изменение со временем магнитного поля приводит к возникновению переменного электрического поля, а всякое изменение со временем электрического поля порождает переменное магнитное поле. Эти порождающие друг друга переменные электрические и магнитные поля образуют единое электромагнитное поле. 

Применение индукционного тока

Если двигать магнит вверх и вниз (рис.3), то стрелка гальванометра отклоняется от нулевого деления, то в одну, то в другую сторону. Это говорит о том, что модуль силы индукционного тока в катушке и направление этого тока периодически меняются = Индукционный ток – переменный ток. В настоящее время для получения переменного тока используют в основном электромеханические индукционные генераторы, т.е. устройства, в которых механическая энергия преобразуется в электрическую. Индукционными они называются потому, что их действия основано на явлении электромагнитной индукции.

Одним из примеров такого генератора является ГЭС.

Принцип работы ГЭС достаточно прост. Цепь гидротехнических сооружений обеспечивает необходимый напор воды, поступающей на лопасти гидротурбины, которая приводит в действие генераторы, вырабатывающие электроэнергию.

Сейчас очень распространено использование бензиновых генераторов, в них точно так же появляется переменный электрический ток за счет индукции.

• Ротор вращается вокруг статора.

•  На выходе получается трехфазный переменный ток, который поступает на цепь выпрямления блока инвертора.

•  С помощью цепи выпрямления трехфазный переменный ток преобразовывается в постоянный, а затем стабилизируется при помощи цепи сглаживания.

•  В цепи преобразования этот постоянный ток превращается в синусоидальный, который почти аналогичен полной синусоиде.

•   На выход инвертора поступает переменный ток.

• Микрокомпьютер контролирует напряжение и частоту сигнала по частотной характеристике напряжения.

Опыт

Я сделал генератор индукционного тока, устроенный по принципу электромагнитного звукоснимателя. Я взял катушку из медной проволоки в кабинете физики, сделал сердечник из нескольких гвоздей и, прикрепив их к магниту, поместил конструкцию в катушку. Теперь, подключив устройство к гальванометру и поднося и убирая металлический предмет, имитируя колебания струны, можно заметить отклонение стрелки гальванометра в разные стороны в зависимости от направления объекта.

Полученный результат можно сравнить с похожим опытом с применением электрогитары, подключив её к гальванометру.

Приложение

(рис. 1)

(рис.2)

(рис.3)

(рис.4)

Заключение

Таким образом, явление электромагнитной индукции широко распространено в современном мире и имеет огромное значение. Почти вся электрическая энергия мира производится на станциях, использующих генераторы, чья работа основана на явлении электромагнитной индукции. Без трансформаторов большинство электрической энергии было бы потрачено на нагрев проводов. Явление электромагнитной индукции является неотъемлемой частью нашей жизни, делая нашу жизнь более удобной, комфортной, безопасной и интересной.

Я считаю, что все поставленные мною задачи во время работы над проектом были выполнены.

Литература.

• Учебник физики А.В Перышкин, Е.М Гутник. Класс 9 

• Свободная энциклопедия http://ru.wikipedia.org/

• Информационный портал http://phys-portal.ru/lections/eltok_lec.htm

• Научный сайт http://www.fxyz.ru/ · http://class-fizika.narod.ru/

• Научный сайтhttps://fizik-school11.ucoz.ru/index/indukcionnyj_tok/0-19