Разработка урока"Опыты Фарадея. Электромагнитная индукция"

Контрольные вопросы

1.Что такое электроемкость?

2. Дайте определение следующих понятий: переменный ток, амплитуда, частота, циклическая частота, период, фаза колебаний

Лабораторная работа 11

Изучение явления электромагнитной индукции

Цель работы: изучить явление электромагнитной индукции.

Оборудование: миллиамперметр; катушка-моток; магнит дугообразный; источник питания; катушка с железным сердечником от разборного электромагнита; реостат; ключ; провода соединительные; модель генератора электрического тока (одна).

Ход работы

1. Подключите катушку-моток к зажимам миллиамперметра.

2. Наблюдая за показаниями миллиамперметра, подводите один из полюсов магнита к катушке, потом на несколько секунд остановите магнит, а затем вновь приближайте его к катушке, вдвигая в нее (рис). Запишите, возникал ли в катушке индукционный ток во время движения магнита относительно катушки; во время его остановки.

3. Запишите, менялся ли магнитный поток Ф, пронизывающий катушку, во время движения магнита; во время его остановки.

4. На основании ваших ответов на предыдущий вопрос сделайте и запишите вывод о том, при каком условии в катушке возникал индукционный ток.

5. Почему при приближении магнита к катушке магнитный поток, пронизывающий эту катушку, менялся? (Для ответа на этот вопрос вспомните, во-первых, от каких величин зависит магнитный поток Ф и, во-вторых, одинаков ли модуль вектора индукции В магнитного поля постоянного магнита вблизи этого магнита и вдали от него.)

6. О направлении тока в катушке можно судить по тому, в какую сторону от нулевого деления отклоняется стрелка миллиамперметра.
Проверьте, одинаковым или различным будет направление индукционного тока в катушке при приближении к ней и удалении от нее одного и того же полюса магнита.

7. Приближайте полюс магнита к катушке с такой скоростью, чтобы стрелка миллиамперметра отклонялась не более чем на половину предельного значения его шкалы.

Повторите тот же опыт, но при большей скорости движения магнита, чем в первом случае.

При большей или меньшей скорости движения магнита относительно катушки магнитный поток Ф, пронизывающий эту катушку, менялся быстрее?

При быстром или медленном изменении магнитного потока сквозь катушку в ней возникал больший по модулю ток?

На основании вашего ответа на последний вопрос сделайте и запишите вывод о том, как зависит модуль силы индукционного тока, возникающего в катушке, от скорости изменения магнитного потока Ф, пронизывающего эту катушку.

8.Соберите установку для опыта по рисунку.

9. Проверьте, возникает ли в катушке-мотке 1 индукционный ток в следующих случаях:

a. при замыкании и размыкании цепи, в которую включена катушка 2;

b. при протекании через катушку 2 постоянного тока;

c. при увеличении и уменьшении силы тока, протекающего через катушку 2, путем перемещения в соответствующую сторону движка реостата.

10. В каких из перечисленных в пункте 9 случаев меняется магнитный поток, пронизывающий катушку? Почему он меняется?

11. Пронаблюдайте возникновение электрического тока в модели генератора (рис.). Объясните, почему в рамке, вращающейся в магнитном поле, возникает индукционный ток.

Контрольные вопросы

1. Сформулируйте закон электромагнитной индукции.

2. Кем и когда был сформулирован закон электромагнитной индукции?

Лабораторная работа 12

Измерение индуктивности катушки

Цель работы: Изучение основных закономерностей электрических цепей переменного тока и знакомство с простейшими способами измерения индуктивности и емкости.

Краткая теория

Под действием переменной электродвижущей силы (ЭДС) в электрической цепи, в ней возникает переменный ток.

Переменным называется такой ток, который изменяется по направлению и по величине. В данной работе рассматривается только такой переменный ток, величина которого изменяется периодически по синусоидальному закону.

Рассмотрение синусоидального тока вызвано тем обстоятельством, что все крупные электростанции вырабатывают переменные токи, весьма близкие к синусоидальным токам.

Переменный ток в металлах представляет собой движение свободных электронов то в одном, то в противоположном направлении. При синусоидальном токе характер этого движения совпадает с гармоническими колебаниями. Таким образом, синусоидальный переменный ток имеет период Т  время одного полного колебания и частоту v  число полных колебаний за единицу времени. Между этими величинами имеется зависимость

Цепь переменного тока, в отличие от цепи постоянного тока, допускает включение конденсатора.

https://pandia.ru/text/80/343/images/image073.gif" alt="http://web-local.rudn.ru/web-local/uem/ido/8/Image443.gif" width="89" height="24">,

называемая полным сопротивлением или импедансом цепи. Поэтому выражение (8) называют законом Ома для переменного тока.

В данной работе активное сопротивление R катушки определяется при помощи закона Ома для участка цепи постоянного тока.

Рассмотрим два частных случая.

1. В цепи отсутствует конденсатор . Это значит, что конденсатор отключается и вместо него цепь замыкается проводником, падение потенциала на котором практически равно нулю, то есть величина U в уравнении (2) равна нулю..gif" alt="http://web-local.rudn.ru/web-local/uem/ido/8/Image474.gif" width="54" height="18">.

2. В цепи отсутствует катушка : следовательно .

При из формул (6), (7) и (14) соответственно имеем

Студент должен:

уметь: обращаться с физическими приборами и использовать их при проведении лабораторных работ; исследовать явление электромагнитной индукции – определить от чего зависят величина и направление индукционного тока; пользоваться необходимой справочной литературой;

знать: методы измерения мощности, потребляемой электроприбором; зависимости мощности, потребляемой лампочкой от напряжения на её зажимах; исследовать зависимость сопротивления проводника от температуры.

Обеспеченность занятия

Оборудование и инструменты: миллиамперметр, катушка-моток, магнит дуго­образный, магнит полосовой, источник постоян­ного тока, две катушки с сердечниками, реостат, ключ, длинный провод, соединительные провода.

Раздаточные материалы:

Краткие теоретические материалы по теме лабораторной работы

Индукционный ток в замкнутом контуре возникает при изменении магнитного потока через площадь, ограниченную контуром. Изменение магнитного потока через контур можно осуществить двумя различными способами:

1) изменением во времени магнитного поля, в котором находится неподвижный контур при вдвигании магнита в катушку или при выдвигании;

2) движением этого контура (или его частей) в постоянном магнитном поле (например, при надевании катушки на магнит).

Инструкция по выполнению лабораторной работы

Катушку-моток подключите к зажимам миллиамперметра, а затем надевайте и снимайте ее с северного полюса дугообразного магнита с различной скоростью (см. рисунок), и для каждого случая замечайте максимальную и минимальную силу индукционного тока и направление отклонения стрелки прибора.

Рисунок 9.1

1. Переверните магнит и вдвиньте медленно южный полюс магнита внутрь катушки, а затем выдвиньте его. Повторите опыт с большей скоростью. Обратите внимание на то, куда в этот раз отклонялась стрелка миллиамперметра.

2. Сложите два магнита (полосовой и дугообразный) одноименными полюсами и повторите эксперимент с разной скоростью движения магнитов в катушке.

3. Подключите к зажимам миллиамперметра вместо катушки длинный провод, свернутый в несколько витков. Надевая и снимая витки провода с полюса дугообразного магнита, заметьте максимальную силу индукционного тока. Сравните ее с максимальной силой индукционного тока, полученной в опытах с тем же магнитом и катушкой, и обнаружьте зависимость ЭДС индукции от длины (числа витков) про­водника.

4. Проанализируйте ваши наблюдения и сделайте выводы относительно причин, от которых зависят величина индукционного тока и его направление.

5. Соберите цепь, изображенную на рисунке 1. Катушки со вставленными в них сердечниками должны быть расположены близко одна к другой и так, чтобы их оси совпадали.

6. Проведите следующие эксперименты:

а) поставьте ползунок реостата в положение, соответствующее минимальному сопротивлению реостата. Замкните цепь ключом, наблюдая за стрелкой миллиамперметра;

б) разомкните цепь ключом. Что изменилось?

в) поставьте ползунок реостата в среднее положение. Повторите опыт;

г) поставьте ползунок реостата в положение, соответствую шее максимальному сопротивлению реостата. Замкните и разомкните цепь ключом.

7. Проанализируйте ваши наблюдения и сделайте выводы.

Лабораторная работа № 10

УСТРОЙСТВО И РАБОТА ТРАНСФОРМАТОРА

Студент должен:

уметь: определять коэффициент трансформации; пользоваться необходимой справочной литературой;

знать: устройство и принцип работы трансформатора.

Обеспеченность занятия

Оборудование и инструменты: источник регулируемого переменного напряже­ния, трансформатор лабораторный разборный, вольтметры переменного тока (или авометр), ключ, провода соединительные;

Раздаточные материалы: данные методические рекомендации по выполнению лабораторных работ.

Вы уже знаете, что вокруг электрического тока всегда существует магнитное поле. Электрический ток и магнитное поле неотделимы друг от друга.

Но если электрический ток, как говорят, «создаёт» магнитное поле, то не существует ли обратного явления? Нельзя ли с помощью магнитного поля «создать» электрический ток?

Такую задачу в начале XIX в. пытались решить многие учёные. Поставил её перед собой и английский учёный Майкл Фарадей. «Превратить магнетизм в электричество» - так записал в своём дневнике эту задачу Фарадей в 1822 г. Почти 10 лет упорной работы потребовалось учёному для её решения.

Майкл Фарадей (1791-1867)
Английский физик. Открыл явление электромагнитной индукции, экстратоки при замыкании и размыкании

Чтобы понять, как Фарадею удалось «превратить магнетизм в электричество», выполним некоторые опыты Фарадея, используя современные приборы.

На рисунке 119, а показано, что если в катушку, замкнутую на гальванометр, вдвигается магнит, то стрелка гальванометра при этом отклоняется, указывая на появление индукционного (наведённого) тока в цепи катушки. Индукционный ток в проводнике представляет собой такое же упорядоченное движение электронов, как и ток, полученный от гальванического элемента или аккумулятора. Название «индукционный» указывает только на причину его возникновения.

Рис. 119. Возникновение индукционного тока при движении магнита и катушки относительно друг друга

При извлечении магнита из катушки снова наблюдается отклонение стрелки гальванометра, но в противоположную сторону, что указывает на возникновение в катушке тока противоположного направления.

Как только движение магнита относительно катушки прекращается, прекращается и ток. Следовательно, ток в цепи катушки существует только во время движения магнита относительно катушки.

Опыт можно изменить. На неподвижный магнит будем надевать катушку и снимать её (рис. 119, б). И опять можно обнаружить, что во время движения катушки относительно магнита в цепи снова появляется ток.

На рисунке 120 изображена катушка А, включённая в цепь источника тока. Эта катушка вставлена в другую катушку С, подключённую к гальванометру. При замыкании и размыкании цепи катушки А в катушке С возникает индукционный ток.

Рис. 120. Возникновение индукционного тока при замыкании и размыкании электрической цепи

Можно вызвать появление индукционного тока в катушке С и путём изменения силы тока в катушке А или движением этих катушек относительно друг друга.

Проделаем ещё один опыт. Поместим в магнитное поле плоский контур из проводника, концы которого соединим с гальванометром (рис. 121, а). При повороте контура гальванометр отмечает появление в нём индукционного тока. Ток будет появляться и в том случае, если рядом с контуром или внутри него вращать магнит (рис. 121, б).

Рис. 121. При вращении контура в магнитном поле(магнита относительно контура) изменение магнитного потока приводит к возникновению индукционного тока

Во всех рассмотренных опытах индукционный ток возникал при изменении магнитного потока, пронизывающего охваченную проводником площадь.

В случаях, изображённых на рисунках 119 и 120, магнитный поток менялся за счёт изменения индукции магнитного поля. Действительно, при движении магнита и катушки относительно друг друга (см. рис. 119) катушка попадала в области поля с большей или меньшей магнитной индукцией (так как поле магнита неоднородное). При замыкании и размыкании цепи катушки А (см. рис. 120) индукция создаваемого этой катушкой магнитного поля менялась за счёт изменения силы тока в ней.

При вращении проволочного контура в магнитном поле (см. рис. 121, а) или магнита относительно контура (см. рис. 121, б") магнитный поток менялся за счёт изменения ориентации этого контура по отношению к линиям магнитной индукции.

Таким образом,

• при всяком изменении магнитного потока, пронизывающего площадь, ограниченную замкнутым проводником, в этом проводнике возникает электрический ток, существующий в течение всего процесса изменения магнитного потока

В этом и заключается явление электромагнитной индукции.

Открытие электромагнитной индукции принадлежит к числу самых замечательных научных достижений первой половины XIX в. Оно вызвало появление и бурное развитие электротехники и радиотехники.

На основании явления электромагнитной индукции были созданы мощные генераторы электрической энергии, в разработке которых принимали участие учёные и техники разных стран. Среди них были и наши соотечественники: Эмилий Христианович Ленц, Борис Семёнович Якоби, Михаил Иосифович Доливо-Добровольский и другие, внёсшие большой вклад в развитие электротехники.

Вопросы

1. С какой целью ставились опыты, изображённые на рисунках 119-121? Как они проводились?
2. При каком условии в опытах (см. рис. 119, 120) в катушке, замкнутой на гальванометр, возникал индукционный ток?
3. В чём заключается явление электромагнитной индукции?
4. В чём важность открытия явления электромагнитной индукции?

Упражнение 36

1. Как создать кратковременный индукционный ток в катушке К 2 , изображённой на рисунке 118?
2. Проволочное кольцо помещено в однородное магнитное поле (рис. 122). Стрелочки, изображённые рядом с кольцом, показывают, что в случаях а и б кольцо движется прямолинейно вдоль линий индукции магнитного поля, а в случаях в, г и д - вращается вокруг оси ОО". В каких из этих случаев в кольце может возникнуть индукционный ток?

Изучением явления электромагнитной индукции занялся вплотную первым Майкл Фарадей. Точнее сказать, он установил и исследовал это явление в поисках способов превратить магнетизм в электричество.

У него на решение такой задачи ушло десять лет, мы же сейчас пользуемся плодами его труда повсеместно, и не представляем себе современную жизнь без применения электромагнитной индукции . В 8 классе, мы уже рассматривали эту тему, в 9 классе это явление рассматривается уже более детально, но вывод формул относится к курсу 10 класса. По этой ссылке вы можете перейти для ознакомления со всеми аспектами данного вопроса.

Явление электромагнитной индукции: рассмотрим опыт

Мы рассмотрим, что представляет собой явление электромагнитной индукции. Можно провести опыт, для которого понадобится гальванометр, постоянный магнит и катушка. Соединив гальванометр с катушкой, мы вдвигаем внутрь катушки постоянный магнит. При этом гальванометр покажет изменение тока в цепи.

Так как никакого источника тока у нас в цепи нет, то логично предположить, что ток возникает вследствие появления магнитного поля внутри катушки. Когда мы будем вытаскивать магнит обратно из катушки, мы увидим, что снова изменятся показания гальванометра, но его стрелка при этом отклонится в противоположную сторону. Мы опять получим ток, но уже направленный в другую сторону.

Теперь проделаем похожий опыт с теми же элементами, только при этом мы зафиксируем магнит неподвижно, а надевать на магнит и снимать с него мы теперь будем саму катушку, подсоединенную к гальванометру. Мы получим те же результаты стрелка гальванометра будет показывать нам появление тока в цепи. При этом, когда магнит неподвижен, тока в цепи нет стрелка стоит на ноле.

Можно провести измененный вариант такого же опыта, только постоянный магнит заменить электрическим, который можно включать и выключать. Мы получим схожие с первым опытом результаты при движении магнита внутри катушки. Но, кроме того, при выключении и выключении неподвижного электромагнита, он будет вызывать кратковременное появление тока в цепи катушки.

Катушку можно заменить проводящим контуром и проделать опыты по перемещению и вращению самого контура в постоянном магнитном поле, либо же магнита внутри неподвижного контура. Результаты будут те же появление тока в цепи при движении магнита или контура.

Изменение магнитного поля вызывает появление тока

Из всего этого следует вывод, что изменение магнитного поля вызывает появление электрического тока в проводнике . Ток этот ничем не отличается от тока, который мы можем получить от батареек, например. Но чтобы указать причину его возникновения, такой ток назвали индукционным.

Во всех случаях у нас менялось магнитное поле, а точнее, магнитный поток через проводник, вследствие чего и возникал ток. Таким образом, можно вывести следующее определение:

При всяком изменении магнитного потока, пронизывающего контур замкнутого проводника, в этом проводнике возникает электрический ток, существующий в течение всего процесса изменения магнитного потока.

• " onclick="window.open(this.href,"win2","status=no,toolbar=no,scrollbars=yes,titlebar=no,menubar=no,resizable=yes,width=640,height=480,directories=no,location=no"); return false;" > Печать
• E-mail

Лабораторная работа № 9

Изучение явления электромагнитной индукции

Цель работы: изучить условия возникновения индукционного тока, ЭДС индукции.

Оборудование : катушка, два полосовых магнита, миллиамперметр.

Теория

Взаимная связь электрических и магнитных полей была установлена выдающимся английским физиком М. Фарадеем в 1831 г. Он открыл явление электромагнитной индукции .

Многочисленные опыты Фарадея показывают, что с помощью магнитного поля можно получить электрический ток в проводнике.

Явление электромагнитной индукции заключается в возникновении электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего контур.

Ток, возникающий при явлении электромагнитной индук­ции, называют индукционным.

В электрической цепи (рисунок 1) возникает индукционный ток, если есть движение магнита относительно катушки, или наоборот. Направление индукционного тока зависит как от направления движения магнита, так и от расположения его полюсов. Индукционный ток отсутствует, если нет относительного перемещения катушки и магнита.

Рисунок 1 .

Строго говоря, при движении контура в магнит­ном поле генерируется не определенный ток, а определенная э. д. с.

Рисунок 2.

Фарадей экспериментально установил, что при изменении магнитного потока в проводящем контуре возникает ЭДС индукции E инд, равная скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, взятой со знаком минус :

Эта формула выражает закон Фарадея: э. д. с. индукции равна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограни­ченную контуром.

Знак минус в формуле отражает правило Ленца .

В 1833 году Ленц опытным путем доказал утверждение, которое называется правилом Ленца: индукционный ток, возбуждаемый в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, всегда направлен так, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызывающего индукционный ток .

При возрастании магнитного потока Ф>0, а ε инд < 0, т.е. э. д. с. индукции вызывает ток такого направления, при котором его маг­нитное поле уменьшает магнитный поток через контур.

При уменьшении магнитного потока Ф<0, а ε инд > 0, т.е. магнитное поле индукционного тока увеличивает убывающий магнитный поток через контур.

Правило Ленца имеет глубокий физический смысл – оно выражает закон сохранения энергии : если магнитное поле через контур увеличивается, то ток в контуре направлен так, что его магнитное поле направлено против внешнего, а если внешнее магнитное поле через контур уменьшается, то ток направлен так, что его магнитное поле поддерживает это убывающее магнитное поле.

ЭДС индукции зависит от разных причин. Если вдвигать в катушку один раз сильный магнит, а в другой - слабый, то показания прибора в первом случае будут более высокими. Они будут более высокими и в том случае, когда магнит движется быстро. В каждом из проведённых в этой работе опыте направление индукционного тока определяется правилом Ленца. Порядок определения направления индукционного тока показан на рисунке 2.

На рисунке синим цветом обозначены силовые линии магнитного поля постоянного магнита и линии магнитного поля индукционного тока. Силовые линии магнитного поля всегда направлены от N к S – от северного полюса к южному полюсу магнита.

По правилу Ленца индукционный электрический ток в проводнике, возникающий при изменении магнитного потока, направлен таким образом, что его магнитное поле противодействует изменению магнитного потока. Поэтому в катушке направление силовых линий магнитного поля противоположно силовым линиям постоянного магнита, ведь магнит движется в сторону катушки. Направление тока находим по правилу буравчика: если буравчик (с правой нарезкой) ввинчивать так, чтобы его поступательное движение совпало с направлением линий индукции в катушке, тогда направление вращения рукоятки буравчика совпадает с направлением индукционного тока.

Поэтому ток через миллиамперметр течёт слева направо, как показано на рисунке 1 красной стрелкой. В случае, когда магнит отодвигается от катушки, силовые линии магнитного поля индукционного тока будут совпадать по направлению с силовыми линиями постоянного магнита, и ток будет течь справа налево.

Ход работы.

Подготовьте для отчета таблицу и по мере проведения опытов заполните её.

	Действия с магнитом и катушкой	Показания милли-амперметра,	Направления отклонения стрелки миллиампер-метра (вправо, влево или не откланяется)	Направление индукционного тока (по правилу Ленца)
	Быстро вставить магнит в катушку северным полюсом
	Оставить магнит в катушке неподвижным после опыта 1
	Быстро вытащить магнит из катушки
	Быстро приблизить катушку к северному полюсу магнита
	Оставить катушку неподвижной после опыта 4
	Быстро вытащить катушку от северного полюса магнита
	Медленно вставить в катушку магнит северным полюсом