Vývoj lekcie "Faradayove pokusy. Elektromagnetická indukcia"

" onclick="window.open(this.href,"win2","status=no,toolbar=no,scrollbars=yes,titlebar=no,menubar=no,resizable=yes,width=640,height=480,adresáre =nie,umiestnenie=nie"); return false;" > Print
Email

Štúdium fenoménu elektromagnetickej indukcie

Cieľ práce: študovať podmienky pre výskyt indukovaného prúdu, indukovaného emf.

Vybavenie: cievka, dva pásové magnety, miliameter.

teória

Vzájomný vzťah medzi elektrickým a magnetickým poľom stanovil vynikajúci anglický fyzik M. Faraday v roku 1831. Objavil jav elektromagnetická indukcia.

Početné Faradayove experimenty ukazujú, že s pomocou magnetické pole k dispozícii elektriny v Prieskumníkovi.

Fenomén elektromagnetickej indukciespočíva vo výskyte elektrického prúdu v uzavretom obvode pri zmene magnetického toku prechádzajúceho obvodom.

Prúd vznikajúci javom elektromagnetickej indukcie sa nazýva tzv indukcia.

V elektrickom obvode (obrázok 1) vzniká indukovaný prúd, ak dôjde k pohybu magnetu vzhľadom na cievku alebo naopak. Smer indukčného prúdu závisí tak od smeru pohybu magnetu, ako aj od umiestnenia jeho pólov. Neexistuje žiadny indukovaný prúd, ak nedochádza k relatívnemu pohybu cievky a magnetu.

Obrázok 1.

Presne povedané, keď sa obvod pohybuje v magnetickom poli, nevytvára sa určitý prúd, ale určitý napr. d.s.

Obrázok 2

Faraday to experimentálne zistil keď sa magnetický tok zmení vo vodivom obvode, vznikne indukované emf E ind, ktoré sa rovná rýchlosti zmeny magnetického toku cez povrch ohraničený obvodom, brané so znamienkom mínus:

Tento vzorec vyjadruje Faradayov zákon:e. d.s. indukcia sa rovná rýchlosti zmeny magnetického toku cez povrch ohraničený obrysom.

Znamienko mínus vo vzorci odráža Lenzove pravidlo.

V roku 1833 Lenz experimentálne dokázal výrok tzv Lenzove pravidlo: indukčný prúd vybudený v uzavretej slučke pri zmene magnetického toku je vždy smerovaný tak, že magnetické pole, ktoré vytvára, zabraňuje zmene magnetického toku spôsobujúcej indukovaný prúd.

S rastúcim magnetickým tokomФ>0 a ε ind< 0, т.е. э. д. с. индукции вызывает ток такого направления, при котором его магнитное поле уменьшает магнитный поток через контур.

Keď magnetický tok klesá F<0, а ε инд >0, t.j. magnetické pole indukovaného prúdu zvyšuje klesajúci magnetický tok obvodom.

Lenzove pravidlo má hlboký fyzický význam – vyjadruje zákon zachovania energie: ak sa magnetické pole v obvode zväčšuje, potom je prúd v obvode nasmerovaný tak, že jeho magnetické pole je nasmerované proti vonkajšiemu, a ak sa vonkajšie magnetické pole v obvode znižuje, prúd smeruje do takým spôsobom, že jeho magnetické pole podporuje toto klesajúce magnetické pole.

Indukované emf závisí od rôznych dôvodov. Ak raz zatlačíte do cievky silný magnet a inokedy slabý magnet, potom budú hodnoty zariadenia v prvom prípade vyššie. Pri rýchlom pohybe magnetu budú tiež vyššie. V každom z experimentov vykonaných v tejto práci je smer indukčného prúdu určený Lenzovým pravidlom. Postup určenia smeru indukčného prúdu je znázornený na obrázku 2.

Na obrázku sú siločiary magnetického poľa permanentného magnetu a siločiary magnetického poľa indukovaného prúdu vyznačené modrou farbou. Magnetické siločiary smerujú vždy od N k S – od severného pólu k južnému pólu magnetu.

Podľa Lenzovho pravidla je indukovaný elektrický prúd vo vodiči, vznikajúci pri zmene magnetického toku, smerovaný tak, že jeho magnetické pole pôsobí proti zmene magnetického toku. Preto je v cievke smer magnetických siločiar opačný k siločiaram permanentného magnetu, pretože magnet sa pohybuje smerom k cievke. Smer prúdu zistíme pomocou pravidla gimlet: ak je gimlet (s pravým závitom) zaskrutkovaný tak, že pohyb vpred sa zhoduje so smerom indukčných čiar v cievke, potom sa smer otáčania rúčky zhoduje so smerom indukčného prúdu.

Preto prúd cez miliampérmeter preteká zľava doprava, ako je znázornené na obrázku 1 červenou šípkou. V prípade, že sa magnet vzdiali od cievky, magnetické siločiary indukovaného prúdu sa budú zhodovať so siločiarami permanentného magnetu a prúd bude tiecť sprava doľava.

Pokrok.

Pripravte si tabuľku pre správu a vyplňte ju pri vykonávaní experimentov.

Akcie s magnetom a cievkou	Indikácie miliampérmeter,	Smery vychýlenia strelky miliampérmetra (vpravo, vľavo alebo sa neskláňa)	Smer indukčného prúdu (podľa Lenzovho pravidla)
Rýchlo vložte magnet do cievky so severným pólom
Nechajte magnet v cievke bez pohybu po skúsenostiach 1
Rýchlo odstráňte magnet z cievky
Rýchlo prisuňte cievku bližšie k severnému pólu magnetu
Po experimente 4 nechajte cievku bez pohybu
Rýchlo vytiahnite cievku zo severného pólu magnetu
Pomaly vložte magnet do cievky so severným pólom

Michael Faraday bol prvý, kto seriózne študoval fenomén elektromagnetickej indukcie. Presnejšie, založil a študoval tento fenomén pri hľadaní spôsobov, ako premeniť magnetizmus na elektrinu.

Vyriešenie tohto problému mu trvalo desať rokov, no plody jeho práce teraz využívame všade a moderný život si nevieme predstaviť bez použitia elektromagnetickej indukcie. V 8. ročníku sme sa nad touto témou zaoberali už v 9. ročníku, v 9. ročníku sa tomuto javu venujeme podrobnejšie, ale odvodzovanie vzorcov sa týka kurzu 10. ročníka. Pomocou tohto odkazu sa môžete zoznámiť so všetkými aspektmi tejto problematiky.

Fenomén elektromagnetickej indukcie: zvážte skúsenosť

Pozrieme sa, čo je to fenomén elektromagnetickej indukcie. Môžete vykonať experiment, na ktorý budete potrebovať galvanometer, permanentný magnet a cievku. Pripojením galvanometra k cievke vtlačíme do vnútra cievky permanentný magnet. V tomto prípade galvanometer ukáže zmenu prúdu v obvode.

Keďže v obvode nemáme žiadny zdroj prúdu, je logické predpokladať, že prúd vzniká v dôsledku objavenia sa magnetického poľa vo vnútri cievky. Keď magnet vytiahneme späť z cievky, uvidíme, že hodnoty galvanometra sa opäť zmenia, ale jeho strelka sa vychýli v opačnom smere. Opäť dostaneme prúd, ale tentoraz nasmerovaný opačným smerom.

Teraz urobme podobný experiment s rovnakými prvkami, len v tomto prípade fixujeme magnet nehybne a teraz pripojíme a vypneme samotnú cievku pripojenú ku galvanometru. Dostaneme rovnaké výsledky. Ihla galvanometra nám ukáže vzhľad prúdu v obvode. Súčasne, keď je magnet nehybný, v obvode nie je žiadny prúd, šípka je na nule.

Môžete vykonať upravenú verziu toho istého experimentu, iba vymeniť permanentný magnet za elektrický, ktorý sa dá zapnúť a vypnúť. Získame výsledky podobné prvému experimentu, keď sa magnet pohybuje vo vnútri cievky. Ale okrem toho, keď je stacionárny elektromagnet zapnutý a vypnutý, spôsobí to krátkodobý výskyt prúdu v obvode cievky.

Cievku možno nahradiť vodivým obvodom a experimentovať s pohybom a otáčaním samotného obvodu v konštantnom magnetickom poli alebo magnetu vo vnútri stacionárneho obvodu. Výsledky budú rovnaké ako výskyt prúdu v obvode, keď sa magnet alebo obvod pohybuje.

Zmena magnetického poľa spôsobí, že sa objaví prúd

Z toho všetkého vyplýva, že zmena magnetického poľa spôsobuje výskyt elektrického prúdu vo vodiči. Tento prúd sa nelíši od prúdu, ktorý môžeme získať napríklad z batérií. Ale na označenie dôvodu jeho výskytu sa takýto prúd nazýva indukcia.

Vo všetkých prípadoch sa naše magnetické pole zmenilo, alebo skôr magnetický tok cez vodič, v dôsledku čoho vznikol prúd. Dá sa teda odvodiť nasledujúca definícia:

Pri akejkoľvek zmene magnetického toku prenikajúceho do obvodu uzavretého vodiča vzniká v tomto vodiči elektrický prúd, ktorý existuje počas celého procesu zmeny magnetického toku.

V tejto lekcii vykonáme laboratórnu prácu č. 4 „Štúdium fenoménu elektromagnetickej indukcie“. Účelom tejto lekcie bude študovať fenomén elektromagnetickej indukcie. Pomocou potrebného vybavenia budeme vykonávať laboratórne práce, na konci ktorých sa naučíme, ako tento jav správne študovať a určiť.

Účel - štúdium javy elektromagnetickej indukcie.

Vybavenie:

1. Miliampérmeter.

2. Magnet.

3. Navijak-pradienka.

4. Zdroj prúdu.

5. Reostat.

6. Kľúč.

7. Cievka z elektromagnetu.

8. Pripojenie vodičov.

Ryža. 1. Experimentálne vybavenie

Začnime laboratórne práce zostavením nastavenia. Na zostavenie obvodu, ktorý použijeme pri laboratórnej práci, pripojíme klbko-cievku k miliampérmetru a použijeme magnet, ktorý približujeme alebo vzďaľujeme od cievky. Zároveň si musíme pamätať, čo sa stane, keď sa objaví indukovaný prúd.

Ryža. 2. Experiment 1

Zamyslite sa nad tým, ako vysvetliť jav, ktorý pozorujeme. Ako magnetický tok ovplyvňuje to, čo vidíme, najmä pôvod elektrického prúdu. Ak to chcete urobiť, pozrite sa na podpornú postavu.

Ryža. 3. Magnetické siločiary permanentného pásového magnetu

Všimnite si, že magnetické indukčné čiary opúšťajú severný pól a vstupujú do južného pólu. Okrem toho je počet týchto čiar a ich hustota v rôznych častiach magnetu rôzna. Upozorňujeme, že smer magnetického poľa sa tiež mení z bodu do bodu. Môžeme teda povedať, že zmena magnetického toku vedie k tomu, že v uzavretom vodiči vzniká elektrický prúd, ale len pri pohybe magnetu sa mení magnetický tok, ktorý preniká oblasťou ohraničenou závitmi tejto cievky. .

Ďalšia fáza Naša štúdia elektromagnetickej indukcie súvisí s definíciou smer indukčného prúdu. Smer indukčného prúdu môžeme posúdiť podľa smeru, ktorým sa ručička miliampérmetra odchyľuje. Použime oblúkový magnet a uvidíme, že keď sa magnet priblíži, šípka sa odchýli jedným smerom. Ak sa teraz magnet presunie opačným smerom, šípka sa vychýli opačným smerom. Ako výsledok experimentu môžeme povedať, že smer pohybu magnetu určuje aj smer indukčného prúdu. Všimnime si tiež, že smer indukčného prúdu závisí aj od pólu magnetu.

Upozorňujeme, že veľkosť indukčného prúdu závisí od rýchlosti pohybu magnetu a zároveň od rýchlosti zmeny magnetického toku.

Druhá časť našej laboratórnej práce bude súvisieť s iným experimentom. Pozrime sa na dizajn tohto experimentu a diskutujme o tom, čo teraz urobíme.

Ryža. 4. Experiment 2

V druhom okruhu sa v zásade nič nezmenilo, čo sa týka merania indukčného prúdu. Rovnaký miliameter pripojený k cievke cievky. Všetko zostáva ako v prvom prípade. Teraz však získame zmenu magnetického toku nie v dôsledku pohybu permanentného magnetu, ale v dôsledku zmeny sily prúdu v druhej cievke.

V prvej časti budeme skúmať prítomnosť indukovaný prúd pri zatváraní a otváraní okruhu. Takže prvá časť experimentu: zatvoríme kľúč. Upozorňujeme, že prúd sa v obvode zvyšuje, šípka sa odchýlila jedným smerom, ale všimnite si, že teraz je kľúč zatvorený a miliampérmeter neukazuje žiadny elektrický prúd. Faktom je, že v magnetickom toku nedochádza k žiadnej zmene, o tom sme už hovorili. Ak je teraz kľúč otvorený, miliampérmeter ukáže, že sa zmenil smer prúdu.

V druhom experimente si ukážeme ako indukovaný prúd keď sa zmení elektrický prúd v druhom okruhu.

Ďalšou časťou experimentu bude pozorovanie, ako sa zmení indukčný prúd, ak sa zmení veľkosť prúdu v obvode pomocou reostatu. Viete, že ak zmeníme elektrický odpor v obvode, potom sa podľa Ohmovho zákona zmení aj elektrický prúd. So zmenou elektrického prúdu sa zmení aj magnetické pole. V okamihu, keď sa posuvný kontakt reostatu pohybuje, magnetické pole sa mení, čo vedie k vzniku indukčného prúdu.

Na záver laboratória sa musíme pozrieť na to, ako vzniká indukovaný elektrický prúd v generátore elektrického prúdu.

Ryža. 5. Generátor elektrického prúdu

Jeho hlavnou časťou je magnet a vo vnútri týchto magnetov je cievka s určitým počtom závitov. Ak teraz otáčate kolesom tohto generátora, vo vinutí cievky sa indukuje indukčný elektrický prúd. Experiment ukazuje, že zvýšenie počtu otáčok vedie k tomu, že žiarovka začne horieť jasnejšie.

Zoznam doplnkovej literatúry:

Aksenovič L. A. Fyzika v stredná škola: Teória. Úlohy. Testy: Učebnica. príspevok pre inštitúcie poskytujúce všeobecné vzdelávanie. prostredie, vzdelávanie / L.A.Aksenovich, N.N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsiya i vyakhavanne, 2004. - S. 347-348. Myakishev G.Ya. Fyzika: Elektrodynamika. 10-11 ročníkov. Učebnica pre pokročilé štúdium fyziky / G.Ya. Myakishev, A.3. Sinyakov, V.A. Slobodskov. - M.: Drop, 2005. - 476 s. Purysheva N.S. fyzika. 9. ročníka. Učebnica. / Purysheva N.S., Vazheevskaya N.E., Charugin V.M. 2. vyd., stereotyp. - M.: Drop, 2007.

LABORATÓRNA PRÁCA „ŠTÚDIUM JVOV ELEKTROMAGNETICKEJ INDUKCIE“ Účelom 6. hodiny je študovať fenomén elektromagnetickej indukcie. Výbava: miliameter, cievka-cievka, zdroj energie, cievka so železným jadrom z demontovateľného elektromagnetu, reostat, kľúč, spojovacie vodiče, magnet. Postup práce 1. Pripojte cievku ku svorkám miliampérmetra. 2. Pri sledovaní hodnôt miliampérmetra prisuňte jeden z pólov magnetu k cievke, potom magnet na niekoľko sekúnd zastavte a potom ho znova približte k cievke a presuňte ho do nej. 3. Napíšte, či pri pohybe magnetu voči cievke vznikol v cievke indukovaný prúd? Počas jeho zastávky? 4. Napíšte, či sa pri pohybe magnetu zmenil magnetický tok F prechádzajúci cievkou? Počas jeho zastávky? 5. Na základe vašich odpovedí na predchádzajúcu otázku nakreslite a zapíšte záver o tom, za akých podmienok sa v cievke objavil indukovaný prúd. 6. Prečo sa magnetický tok prechádzajúci touto cievkou zmenil, keď sa magnet priblížil k cievke? (Ak chcete odpovedať na túto otázku, pamätajte, po prvé, od akých hodnôt závisí magnetický tok Ф a po druhé, či je veľkosť vektora magnetickej indukcie B magnetického poľa permanentného magnetu rovnaká v blízkosti tohto magnetu a ďaleko od nej.) 7. O smere prúdu v cievke možno usúdiť podľa smeru, ktorým sa ručička miliampérmetra odchyľuje od nulového delenia. Skontrolujte, či smer indukčného prúdu v cievke bude rovnaký alebo odlišný, keď sa k nej približuje rovnaký pól magnetu a vzďaľuje sa od neho. 8. Priblížte pól magnetu k cievke takou rýchlosťou, aby sa ručička miliampérmetra odchýlila maximálne o polovicu hraničnej hodnoty svojej stupnice. Opakujte rovnaký experiment, ale pri vyššej rýchlosti magnetu ako v prvom prípade. Pri vyššej alebo nižšej rýchlosti pohybu magnetu voči cievke sa magnetický tok F prechádzajúci touto cievkou menil rýchlejšie? Pri rýchlej alebo pomalej zmene magnetického toku cievkou vznikol v nej väčší prúd? Na základe vašej odpovede na poslednú otázku nakreslite a napíšte záver o tom, ako závisí modul sily indukčného prúdu vznikajúceho v cievke od rýchlosti zmeny magnetického toku F, cca.

150 000₽ cenový fond 11 čestných dokumentov Osvedčenie o uverejnení v médiách

Už viete, že okolo elektrického prúdu je vždy magnetické pole. Elektrický prúd a magnetické pole sú od seba neoddeliteľné.

Ale ak sa hovorí, že elektrický prúd „vytvára“ magnetické pole, nedochádza k opačnému javu? Je možné „vytvoriť“ elektrický prúd pomocou magnetického poľa?

Takáto úloha v začiatkom XIX V. Mnohí vedci sa to pokúsili vyriešiť. Položil to pred seba aj anglický vedec Michael Faraday. „Premeňte magnetizmus na elektrinu“ – takto Faraday napísal tento problém do svojho denníka v roku 1822. Vedcovi trvalo takmer 10 rokov tvrdej práce, aby ho vyriešil.

Michael Faraday (1791-1867)
anglický fyzik. Objavil fenomén elektromagnetickej indukcie, extraprúdy pri zatváraní a otváraní

Aby sme pochopili, ako Faraday dokázal „premeniť magnetizmus na elektrinu“, vykonajte niektoré z Faradayových experimentov pomocou moderných nástrojov.

Obrázok 119 a ukazuje, že ak sa magnet presunie do cievky uzavretej ku galvanometru, strelka galvanometra sa vychýli, čo naznačuje výskyt indukčného (indukovaného) prúdu v obvode cievky. Indukovaný prúd vo vodiči je rovnaký usporiadaný pohyb elektrónov ako prúd prijímaný z galvanického článku alebo batérie. Názov „indukcia“ iba naznačuje dôvod jej výskytu.

Ryža. 119. Výskyt indukčného prúdu pri vzájomnom pohybe magnetu a cievky

Po odstránení magnetu z cievky sa opäť pozoruje vychýlenie ihly galvanometra, ale v opačnom smere, čo indikuje výskyt prúdu v cievke v opačnom smere.

Akonáhle sa pohyb magnetu vzhľadom na cievku zastaví, prúd sa zastaví. V dôsledku toho prúd v obvode cievky existuje iba vtedy, keď sa magnet pohybuje vzhľadom na cievku.

Skúsenosti sa dajú zmeniť. Na stacionárny magnet nasadíme cievku a odstránime ju (obr. 119, b). A opäť môžete zistiť, že keď sa cievka pohybuje vzhľadom na magnet, v obvode sa opäť objavuje prúd.

Obrázok 120 zobrazuje cievku A pripojenú k obvodu zdroja prúdu. Táto cievka je vložená do ďalšej cievky C pripojenej ku galvanometru. Keď je obvod cievky A uzavretý a otvorený, v cievke C sa objaví indukovaný prúd.

Ryža. 120. Výskyt indukčného prúdu pri zatváraní a otváraní elektrického obvodu

Výskyt indukčného prúdu v cievke C môžete spôsobiť zmenou intenzity prúdu v cievke A alebo posunutím týchto cievok voči sebe.

Urobme ešte jeden experiment. Do magnetického poľa umiestnime plochý obrys vodiča, ktorého konce budú spojené s galvanometrom (obr. 121, a). Keď sa obvod otáča, galvanometer zaznamenáva výskyt indukčného prúdu v ňom. Prúd sa objaví aj vtedy, ak sa magnet otáča v blízkosti obvodu alebo vo vnútri (obr. 121, b).

Ryža. 121. Keď sa obvod otáča v magnetickom poli (magnet vzhľadom na obvod), zmena magnetického toku vedie k vzniku indukovaného prúdu

Vo všetkých uvažovaných experimentoch indukovaný prúd vznikol, keď sa magnetický tok prepichujúci oblasť pokrytú vodičom zmenil.

V prípadoch znázornených na obrázkoch 119 a 120 sa magnetický tok zmenil v dôsledku zmeny indukcie magnetického poľa. Skutočne, keď sa magnet a cievka navzájom pohybovali (pozri obr. 119), cievka spadla do oblastí poľa s väčšou alebo menšou magnetickou indukciou (keďže pole magnetu je nerovnomerné). Keď bol obvod cievky A (pozri obr. 120) uzavretý a otvorený, zmenila sa indukcia magnetického poľa vytvoreného touto cievkou v dôsledku zmeny intenzity prúdu v nej.

Keď sa drôtová slučka otáčala v magnetickom poli (pozri obr. 121, a) alebo magnet vzhľadom na slučku (pozri obr. 121, b"), magnetický tok sa zmenil v dôsledku zmeny orientácie tejto slučky vzhľadom na k čiaram magnetickej indukcie.

teda

pri akejkoľvek zmene magnetického toku prenikajúceho do oblasti ohraničenej uzavretým vodičom vzniká v tomto vodiči elektrický prúd, ktorý existuje počas celého procesu zmeny magnetického toku

Ide o fenomén elektromagnetickej indukcie.

Objav elektromagnetickej indukcie je jedným z najpozoruhodnejších vedecké úspechy najprv polovice 19. storočia V. Spôsobila vznik a prudký rozvoj elektrotechniky a rádiotechniky.

Výkonné generátory boli vytvorené na základe fenoménu elektromagnetickej indukcie elektrická energia, na vývoji ktorej sa podieľali vedci a technici rozdielne krajiny. Boli medzi nimi naši krajania: Emilius Khristianovič Lenz, Boris Semenovič Jacobi, Michail Iosifovič Dolivo-Dobrovolskij a ďalší, ktorí veľkou mierou prispeli k rozvoju elektrotechniky.

Otázky

Aký bol účel experimentov znázornených na obrázkoch 119-121? Ako boli uskutočnené?
Za akých podmienok pri pokusoch (pozri obr. 119, 120) vznikol indukovaný prúd v cievke uzavretej na galvanometer?
Aký je fenomén elektromagnetickej indukcie?
Aký význam má objav fenoménu elektromagnetickej indukcie?

Cvičenie 36

Ako vytvoriť krátkodobý indukčný prúd v cievke K 2 znázornenej na obrázku 118?
Drôtený krúžok je umiestnený v rovnomernom magnetickom poli (obr. 122). Šípky zobrazené vedľa krúžku ukazujú, že v prípadoch a a b sa krúžok pohybuje priamočiaro pozdĺž čiar indukcie magnetického poľa a v prípadoch c, d a e sa otáča okolo osi OO." V ktorom z týchto prípadov sa môže vzniká v kruhu indukovaný prúd?