Урок на тему:"Самоиндукция. Индуктивность. Энергия магнитного поля тока».

-Здравствуйте, ребята, садитесь.

Актуализация знаний.

Проверка домашнего задания. 

Фронтальный опрос:

1. Какое поле называют вихревым электрическим полем?

2. Что является источником вихревого поля?

3. Что такое токи Фуко? Приведите примеры их использования.

4. От чего зависит ЭДС индукции, возникающая в проводнике, который движется в переменном во времени магнитном поле?

Мотивационный этап.

Ос­но­вы элек­тро­ди­на­ми­ки были за­ло­же­ны Ам­пе­ром в 1820 году. Ра­бо­ты Ам­пе­ра вдох­но­ви­ли мно­гих ин­же­не­ров на кон­стру­и­ро­ва­ние раз­лич­ных тех­ни­че­ских устройств, таких как элек­тро­дви­га­тель (кон­струк­тор Б.С. Якоби), те­ле­граф (С. Морзе), элек­тро­маг­нит, кон­стру­и­ро­ва­ни­ем ко­то­ро­го за­ни­мал­ся из­вест­ный аме­ри­кан­ский уче­ный Генри.

Джо­зеф Генри про­сла­вил­ся бла­го­да­ря со­зда­нию серии уни­каль­ных мощ­ней­ших элек­тро­маг­ни­тов с подъ­ем­ной силой от 30 до 1500 кг при соб­ствен­ной массе маг­ни­та 10 кг. Со­зда­вая раз­лич­ные элек­тро­маг­ни­ты, в 1832 году уче­ный от­крыл новое яв­ле­ние в элек­тро­маг­не­тиз­ме – яв­ле­ние са­мо­ин­дук­ции. Имен­но этому яв­ле­нию по­свя­щен дан­ный урок.

Запись темы на доске: «Самоиндукция. Индуктивность. Энергия магнитного поля тока».

Изучение нового материала.

 Генри изоб­ре­тал плос­кие ка­туш­ки из по­ло­со­вой меди, с по­мо­щью ко­то­рых до­би­вал­ся си­ло­вых эф­фек­тов, вы­ра­жен­ных более ярко, чем при ис­поль­зо­ва­нии про­во­лоч­ных со­ле­но­и­дов. Уче­ный за­ме­тил, что при на­хож­де­нии в цепи мощ­ной ка­туш­ки ток в этой цепи до­сти­га­ет сво­е­го мак­си­маль­но­го зна­че­ния го­раз­до мед­лен­нее, чем без ка­туш­ки.

Опыт: На ри­сун­ке изоб­ра­же­на элек­три­че­ская схема экс­пе­ри­мен­таль­ной уста­нов­ки, на ос­но­ве ко­то­рой можно про­де­мон­стри­ро­вать яв­ле­ние са­мо­ин­дук­ции. Элек­три­че­ская цепь со­сто­ит из двух па­рал­лель­но со­еди­нен­ных лам­по­чек, под­клю­чен­ных через ключ к ис­точ­ни­ку по­сто­ян­но­го тока. По­сле­до­ва­тель­но с одной из лам­по­чек под­клю­че­на ка­туш­ка. После за­мы­ка­ния цепи видно, что лам­поч­ка, ко­то­рая со­еди­не­на по­сле­до­ва­тель­но с ка­туш­кой, за­го­ра­ет­ся мед­лен­нее, чем вто­рая лам­поч­ка.

При от­клю­че­нии ис­точ­ни­ка лам­поч­ка, под­клю­чен­ная по­сле­до­ва­тель­но с ка­туш­кой, гас­нет мед­лен­нее, чем вто­рая лам­поч­ка.

Рас­смот­рим про­цес­сы, про­ис­хо­дя­щие в дан­ной цепи при за­мы­ка­нии и раз­мы­ка­нии ключа.

1. За­мы­ка­ние ключа.

В цепи на­хо­дит­ся то­ко­про­во­дя­щий виток. Пусть ток в этом витке течет про­тив ча­со­вой стрел­ки. Тогда маг­нит­ное поле будет на­прав­ле­но вверх.

Таким об­ра­зом, виток ока­зы­ва­ет­ся в про­стран­стве соб­ствен­но­го маг­нит­но­го поля. При воз­рас­та­нии тока виток ока­жет­ся в про­стран­стве из­ме­ня­ю­ще­го­ся маг­нит­но­го поля соб­ствен­но­го тока. Если ток воз­рас­та­ет, то со­здан­ный этим током маг­нит­ный поток также воз­рас­та­ет. Как из­вест­но, при воз­рас­та­нии маг­нит­но­го по­то­ка, про­ни­зы­ва­ю­ще­го плос­кость кон­ту­ра, в этом кон­ту­ре воз­ни­ка­ет элек­тро­дви­жу­щая сила ин­дук­ции и, как след­ствие, ин­дук­ци­он­ный ток. По пра­ви­лу Ленца этот ток будет на­прав­лен таким об­ра­зом, чтобы своим маг­нит­ным полем пре­пят­ство­вать из­ме­не­нию маг­нит­но­го по­то­ка, про­ни­зы­ва­ю­ще­го плос­кость кон­ту­ра.

То есть, для рас­смат­ри­ва­е­мо­го на ри­сун­ке 4 витка ин­дук­ци­он­ный ток дол­жен быть на­прав­лен по ча­со­вой стрел­ке, тем самым пре­пят­ствуя на­рас­та­нию соб­ствен­но­го тока витка. Сле­до­ва­тель­но, при за­мы­ка­нии ключа ток в цепи воз­рас­та­ет не мгно­вен­но, бла­го­да­ря тому, что в этой цепи воз­ни­ка­ет тор­мо­зя­щий ин­дук­ци­он­ный ток, на­прав­лен­ный в про­ти­во­по­лож­ную сто­ро­ну.

2. Раз­мы­ка­ние ключа.

При раз­мы­ка­нии ключа ток в цепи умень­ша­ет­ся, что при­во­дит к умень­ше­нию маг­нит­но­го по­то­ка сквозь плос­кость витка. Умень­ше­ние маг­нит­но­го по­то­ка при­во­дит к по­яв­ле­нию ЭДС ин­дук­ции и ин­дук­ци­он­но­го тока. В этом слу­чае ин­дук­ци­он­ный ток на­прав­лен в ту же сто­ро­ну, что и соб­ствен­ный ток витка. Это при­во­дит к за­мед­ле­нию убы­ва­ния соб­ствен­но­го тока.

Вывод: при из­ме­не­нии тока в про­вод­ни­ке воз­ни­ка­ет элек­тро­маг­нит­ная ин­дук­ция в этом же про­вод­ни­ке, что по­рож­да­ет ин­дук­ци­он­ный ток, на­прав­лен­ный таким об­ра­зом, чтобы пре­пят­ство­вать лю­бо­му из­ме­не­нию соб­ствен­но­го тока в про­вод­ни­ке. В этом за­клю­ча­ет­ся суть яв­ле­ния са­мо­ин­дук­ции. Са­мо­ин­дук­ция – это част­ный слу­чай элек­тро­маг­нит­ной ин­дук­ции.

Са­мо­ин­дук­ция – это яв­ле­ние воз­ник­но­ве­ния элек­тро­маг­нит­ной ин­дук­ции в про­вод­ни­ке при из­ме­не­нии силы тока, про­те­ка­ю­ще­го сквозь этот про­вод­ник.

Индуктивность. Модуль вектора индукции В магнитного поля, создаваемого током, пропорционален силе тока. Так как магнитный поток Ф пропорционален В, то Ф ~ В~ I.

Можно, следовательно, утверждать, что

Ф = LI,    

где L — коэффициент пропорциональности между током в проводящем контуре и магнитным потоком.

Величину L называют индуктивностью контура, или его коэффициентом самоиндукции.

Используя закон электромагнитной индукции и полученное выражение, получаем равенство

если считать, что форма контура остается неизменной и поток меняется только за счет изменения силы тока.

Из формулы следует, что индуктивность — это физическая величина, численно равная ЭДС самоиндукции, возникающей в контуре при изменении силы тока в нем на 1 А за 1 с.

Индуктивность, подобно электроемкости, зависит от геометрических факторов: размеров проводника и его формы, но не зависит непосредственно от силы тока в проводнике. Кроме геометрии проводника, индуктивность зависит от магнитных свойств среды, в которой находится проводник.

Очевидно, что индуктивность одного проволочного витка меньше, чем у катушки (соленоида), состоящей из N таких же витков, так как магнитный поток катушки увеличивается в N раз.

Единицу индуктивности в СИ называют генри (обозначается Гн). Индуктивность проводника равна 1 Гн, если в нем при равномерном изменении силы тока на 1 А за 1 с возникает ЭДС самоиндукции 1 В:

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.

Аналогия между самоиндукцией и инерцией. Явление самоиндукции подобно явлению инерции в механике. Так, инерция приводит к тому, что под действием силы тело не мгновенно приобретает определенную скорость, а постепенно. Тело нельзя мгновенно затормозить, как бы велика ни была тормозящая сила. Точно так же за счет самоиндукции при замыкании цепи сила тока не сразу приобретает определенное значение, а нарастает постепенно. Выключая источник, мы не прекращаем ток сразу. Самоиндукция поддерживает его некоторое время, несмотря на сопротивление цепи.

Для создания электрического тока и, следовательно, его магнитного поля необходимо выполнить работу против сил вихревого электрического поля. Эта работа (согласно закону сохранения энергии) равна энергии электрического тока или энергии магнитного поля тока.

Записать выражение энергии тока I, текущего по цепи с индуктивностью L, т. е. для энергии магнитного поля тока, можно на основании аналогии между инерцией и самоиндукцией.

Если самоиндукция аналогична инерции, то индуктивность в процессе создания тока играет ту же роль, что и масса при увеличении скорости в механике. Роль скорости тела в электродинамике играет сила тока как величина, характеризующая движение электрических зарядов.

Тогда энергию тока можно считать величиной подобной кинетической энергии в механике:

• Энергия магнитного поля тока.

Закрепление изученного материала

№931. Какова индуктивность контура, если при силе тока 5 А в нем возникает магнитный поток 0,5 мВб?

№933. Найти индуктивность проводника, в котором при равномерном изменении силы тока на 2 А в течение 0,25 с возбуждается ЭДС самоиндукции 20 мВ.

№937. В катушке индуктивностью 0,6 Гн сила тока равна 20 А. Какова энергия магнитного поля этой катушки? Как изменится энергия поля, если сила тока уменьшится вдвое?

№939. Найти энергию магнитного поля соленоида, в котором при силе тока 10 А возникает магнитный поток 0,5 Вб.

Подведение итогов. Домашнее задание.

Выставление и обоснование отметок. Запись и обсуждение домашнего задания.

Д/З: §14-16, № 932, 934, 938.

Рефлексия

Организуется беседа с целью осмысления участниками урока своих собственных действий в ходе урока.

Вопросы:

1. Что нового вы для себя узнали на уроке?

2. Понятен ли был материал урока?

3. Понравился ли вам урок?