Урок явление самоиндукции. Презентация на тему "самоиндукция и индуктивность"




Если ток в контуре изменяется, то изменяется магнитное поле этого тока и собственный магнитный поток, пронизывающий контур. Если ток в контуре изменяется, то изменяется магнитное поле этого тока и собственный магнитный поток, пронизывающий контур. В контуре возникает ЭДС индукции, которая согласно правилу Ленца препятствует изменению тока в контуре. В контуре возникает ЭДС индукции, которая согласно правилу Ленца препятствует изменению тока в контуре.


САМОИНДУКЦИЯ Самоиндукция – это явление возникновения ЭДС индукции в контуре при изменении электрического тока в этом же контуре. Самоиндукция – это явление возникновения ЭДС индукции в контуре при изменении электрического тока в этом же контуре. Самоиндукция является важным частным случаем электромагнитной индукции. Самоиндукция является важным частным случаем электромагнитной индукции.


ИНДУКТИВНОСТЬ Собственный магнитный поток Φ, пронизывающий контур или катушку с током, пропорционален силе тока I. Собственный магнитный поток Φ, пронизывающий контур или катушку с током, пропорционален силе тока I. Коэффициент пропорциональности L в этой формуле называется коэффициентом самоиндукции или индуктивностью катушки.


ИНДУКТИВНОСТЬ Единица индуктивности в СИ называется генри (Гн). Единица индуктивности в СИ называется генри (Гн). Индуктивность контура или катушки равна 1 Гн, если при силе постоянного тока 1 А собственный поток равен 1 Вб. Индуктивность контура или катушки равна 1 Гн, если при силе постоянного тока 1 А собственный поток равен 1 Вб. 1 Гн = 1 Вб / 1 А


САМОИНДУКЦИЯ ЭДС самоиндукции, возникающая в катушке с постоянным значением индуктивности, равна ЭДС самоиндукции, возникающая в катушке с постоянным значением индуктивности, равна ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна индуктивности катушки и скорости изменения силы тока в ней. ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна индуктивности катушки и скорости изменения силы тока в ней.






Магнитная энергия. При размыкании ключа лампа ярко вспыхивает. При размыкании ключа лампа ярко вспыхивает. Ток в цепи возникает под действием ЭДС самоиндукции. Источником энергии, выделяющейся при этом в электрической цепи, является магнитное поле катушки.


Магнитная энергия. Из закона сохранения энергии следует, что вся энергия, запасенная в катушке, выделится в виде джоулева тепла. Если обозначить через R полное сопротивление цепи, то за время Δt выделится количество теплоты Из закона сохранения энергии следует, что вся энергия, запасенная в катушке, выделится в виде джоулева тепла. Если обозначить через R полное сопротивление цепи, то за время Δt выделится количество теплоты ΔQ = I 2 RΔt
Магнитная энергия. Изобразим на графике зависимость магнитного потока Φ(I) от тока I Изобразим на графике зависимость магнитного потока Φ(I) от тока I Полное количество выделившейся теплоты, равное первоначальному запасу энергии магнитного поля, определяется площадью треугольника. ФI/2



Урок 87.11 Лисицкий П.А.

Раздел программы: «Магнитное поле»

Тема урока: «Явление самоиндукции. Индуктивность. Энергия магнитного поля. Решение задач»

Цель: ученик должен усвоить сущность явления самоиндукции и закона самоиндукции, а также понятие индуктивности и энергии магнитного поля.

Задачи урока.

Образовательные:

Раскрыть сущность явления самоиндукции;

Вывести закон самоиндукции и дать понятие индуктивности, а также вывести формулу энергии магнитного поля графическим способом.

Воспитательные:

Показать значение причинно- следственных связей в познаваемости явлений.

Развития мышления:

Работать над формированием умений выделять главную причину, влияющую на результат (формировать «зоркость» в поисках);

Продолжить работу по формированию умений делать выводы.

Тип урока: урок изучения нового материала.

Образовательные технологии: элементы технологии укрупнения дидактических единиц (УДЕ).

Ход урока.

1.Инициализация урока (взаимное приветствие учителя и учащихся, готовность к уроку и т.п.)

2.Знакомство с планом урока.

Сначала мы вместе восхитимся глубокими знаниями – а для этого проведём маленький устный опрос. Потом попробуем ответить на вопрос в чём суть явления самоиндукции? Что такое индуктивность? Как вычислить энергию магнитного поля? Затем потренируем мозги - порешаем задачи. И наконец, вытащим из тайников памяти кое- что ценное – явление электромагнитной индукции (тема для повторения).

2.Контролирующая беседа по теме «Явления электромагнитной индукции».

Что называют явлением электромагнитной индукции?

Формула закона электромагнитной индукции.

Как читается закон электромагнитной индукции?

Формула индукционного тока, если контур замкнут?

Формула магнитного потока.

Формула модуля вектора магнитной индукции в катушке.

3.Работа над изучаемым материалом.

Проблемный опыт.

Собрана электрическая цепь. Замкнём её и отрегулируем с помощью реостата, чтобы лампочки 1 и 2 горели одинаковым накалом. Теперь разомкнём цепь и вновь её замкнём. Лампочка 1, в цепи которой находится контур (катушка с большим числом витков медного провода), загорится полным накалом значительно позже лампочки 2.

При размыкании цепи, наоборот, лампочка 1, в цепи которой находится контур (катушка с большим числом витков медного провода), потухнет значительно позже лампочки 2.

Проецируется через компьютер и проектор слайды, для того чтобы акцентировать внимание на ключевом опыте темы.

Формулируется проблема: В чём причина данного явления?

Сразу же после замыкания ключа напряжение подаётся на обе ветви АВ и СD. В ветви CD лампочка 2 загорится практически мгновенно, т.к. число витков в реостате мало, то магнитное поле достигает своего максимального значения практически сразу. Другое дело ветви АВ. Магнитного поля в катушке до замыкания ключа К на было, а после замыкания ключа возникает ток, который возрастает. При этом возрастает и индукция магнитного поля, которое пронизывает собственные ветви катушки. В каждом из многочисленных витков наводится e i , направленная против внешней ЭДС (e)

Самоиндукцией называют явление возникновения ЭДС в том же замкнутом контуре, по которому течёт переменный ток. Найдём формулу индуктивности для данной катушки.

Магнитный поток

Модуль вектора магнитной индукции в катушке B=m 0 mnI

Число витков на единицу длины тогда магнитный поток в катушке равен , или Ф=LI (1)

Индуктивность это физическая величина, которая постоянна для данной катушки и равна , [L]=1Гн= (2)

Индуктивность проводника равна 1Гн, если в нём при изменении силы тока на 1А за 1с наводится ЭДС самоиндукции 1В.

Физический смысл индуктивности. Индуктивность- это физическая величина, численно равная ЭДС самоиндукции, возникающей в контуре при изменении силы тока на 1 Ампер за одну секунду.

Индуктивность подобна электроёмкости 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.

Магнитный поток в катушке прямо пропорционален силе ток. Закон самоиндукции ЭДС индукции, возникающая в катушке прямо пропорциональна скорости изменения силы тока, взятой с обратным знаком. Формула закона самоиндукции (3) Вывод формулы энергии магнитного поля графическим методом. Из рисунка видно, что энергия магнитного поля равна: Единица измерения величины будет единица измерения энергии, т.е. джоуль, отсюда учитывая ф.(1), получим: (4) Объёмной плотностью энергии называют величину, определяемую энергией, приходящей на единицу объёма. Объёмная плотность энергии магнитного поля равна: (5)

Используя формулы и B=m 0 mnI. Отсюда .

Тогда энергия магнитного поля будет равна:

Объёмная плотность энергии (магнитное давление) будет равна (6).

Применим образовательную технологию УДЕ. Для этого рассмотрим таблицу аналогов между механическими, электрическими и магнитными величинами.

Механические

Магнитные

Явление инерции

Явление самоиндукции

индуктивность

Механические

Электрические

Явление деформации

Коэффициент жёсткости

Явление зарядки конденсатора

Электроёмкость

Подчёркиваем, что магнитный поток аналогичен импульсу частицы

Закрепление учебного материала.

    Какое явление называют самоиндукцией?

    Объясните, почему в замкнутом контуре, по которому течёт меняющийся либо по величине, либо по направлению ток, неизбежно возникает ещё один ток, который назвали током самоиндукции?

    Какая величина называется магнитным давлением?

Решение задач.

Задача№1. Как будет меняться ток при замыкании цепи, схема которой изображена на рисунке.

Если бы в цепи не было индуктивности, то сила тока возрастала бы до максимального значения практически мгновенно. В действительности же сила тока постепенно достигает максимума за время t 1 . Связанно это с тем, что в катушке ЭДС самоиндукции . Сила тока теперь определяется не только ЭДС источника но и ЭДС индукции. Индукционный ток направлен против тока, создаваемого источником тока при замыкании.

Задача№2 Какова индуктивность катушки, если при постепенном изменении в ней силы тока от 5 до 10А за 0,1 с возникает ЭДС самоиндукции, равная 20В?

Задача№3 В катушке с индуктивностью 0,6Гн сила тока равна 20А. Какова энергия магнитного поля этой катушки? Как изменится энергия поля, если сила тока уменьшится вдвое?

Задание на дом и его инструктаж: §11.6; №5-6 упр.22 Итоги урока. Рефлексия.

Несомненно, задачный подход, новые технологии (УДЕ) преодоление ППБ, научные методы их применения при решении задач, значение которых так велико, откроет еще не одну тайну вдумчивому исследователю, занимающемуся развитием интеллекта одаренных школьников.

Тема урока : САМОИНДУКЦИЯ .

Цели урока :

Обучающая : ознакомить уч-ся с явлением самоиндукции, сформировать знания по данному явлению.

Развивающая: активизировать мышление школьников, развивать мотивацию изучения физики.

Воспитательная : воспитывать интерес к предмету.

Ход урока:

Тип урока : комбинированный.

I Организационная часть.

II Этап постановки целей и задач урока: на данном уроке мы узнаем, как и кем было открыто явление самоиндукции, рассмотрим опыт, с помощью которого продемонстрируем это явление, определим, что самоиндукция - это частный случай электромагнитной индукции. В конце урока введем физическую величину, показывающую зависимость ЭДС самоиндукции от размеров и форм проводника и от среды, в которой находится проводник, т.е. индуктивность.

III Этап актуализации опорных знаний:

Вопросы классу:
1. Как формулируется закон эл.магнитной индукции.?
2. Записать закон эл. магнитной индукции?
3.Что означает знак "- "?
4. Почему закон эл.магнитной индукции формулируется для ЭДС,а не для тока7
5. Какое поле называют " вихревым"?
6.Что такое токи Фуко?

IV Этап изучения нового материала:
 Самоиндукция

а. Биографические сведения об ученом открывшем явление

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 (рис. 1) 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.

Рис. 1. Джозеф Генри

Джозеф Генри -1832г.

б. Демонстрация схемы цепи:

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.

Рис. 2. Схема экспериментальной установки Д. Генри

Рис. 3. Раз­лич­ный накал лам­по­чек в мо­мент вклю­че­ния цепи

При замыкании ключа первая лампа вспыхивает практически сразу, вторая - с заметным опозданием.

ЭДС индукции в цепи этой лампы велика, и сила тока не сразу достигает своего значения.

При размыкании ключа ток в цепи уменьшается ЭДС индукции в цепи мало, а индукционный ток направлен в ту же сторону, что и собственный ток витка. Это приводит к замедлению убывания собственного тока -вторая лампа гаснет не сразу.

Вывод: при изменении тока в проводнике возникает электромагнитная индукция в том же проводнике, что порождает индукционный ток, направленный таким образом, чтобы препятствовать любому изменению собственного тока в проводнике. В этом заключается явление самоиндукции. Самоиндукция- это частный случай электромагнитной индукции. Формулы для нахождения потока магнитной индукции и ЭДС самоиндукции.

Основные выводы: Самоиндукция- это явление возникновения электромагнитной индукции в проводнике при изменении силы тока, протекающего сквозь этот проводник.

Электродвижущая сила индукции прямо пропорциональна скорости изменения тока, протекающего сквозь проводник, взятого со знаком минус. Коэффициент пропорциональности называют индуктивностью , которая зависит от геометрических параметров проводника:

Проводник имеет индуктивность, равную 1 Гн, если при скорости изменения тока в проводнике, равной 1 А в секунду, в этом проводнике возникает электродвижущая сила самоиндукции, равной 1В.

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.

Просмотр фрагмента диска " Самоиндукция в быту и технике "

V Этап закрепления нового материала.

Вопросы классу:

1. Что называют самоиндукцией?
2. Как направлены по отношению к току линии напряженности вихревого электрического поля в проводнике при увеличении и уменьшении силы тока?
3. Что называют индуктивностью?
4. Что принимают за единицей индуктивности?
5. Чему равна ЭДС самоиндукции?

Решение задач: Марон, стр. 23 В1. Рымкевич № 931, 932, 934, 935, 926.

VI Домашнее задание : п. 15, упр. Марон, стр.102 (1-й В 1-6)

На данном уроке мы узнаем, как и кем было открыто явление самоиндукции, рассмотрим опыт, с помощью которого продемонстрируем это явление, определим, что самоиндукция - это частный случай электромагнитной индукции. В конце урока введем физическую величину, показывающую зависимость ЭДС самоиндукции от размеров и формы проводника и от среды, в которой находится проводник, т. е. индуктивность.

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.

Рис. 2. Схема экспериментальной установки Д. Генри

На рис. 2 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 (рис. 3).

Рис. 3. Различный накал лампочек в момент включения цепи

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

Почему лампочки гаснут не одновременно

При замыкании ключа (рис. 4) из-за возникновения ЭДС самоиндукции ток в лампочке с катушкой нарастает медленнее, поэтому эта лампочка загорается медленнее.

Рис. 4. Замыкание ключа

При размыкании ключа (рис. 5) возникающая ЭДС самоиндукции мешает убыванию тока. Поэтому ток еще некоторое время продолжает течь. Для существования тока нужен замкнутый контур. Такой контур в цепи есть, он содержит обе лампочки. Поэтому при размыкании цепи лампочки должны некоторое время светиться одинаково, и наблюдаемое запаздывание может быть вызвано другими причинами.

Рис. 5. Размыкание ключа

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 (рис. 6).

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 рис. 6 витка индукционный ток должен быть направлен по часовой стрелке (рис. 7), 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 (рис. 8). В этом заключается суть явления самоиндукции. Самоиндукция - это частный случай электромагнитной индукции.

Рис. 8. Момент включения и выключения цепи

Формула для нахождения магнитной индукции прямого проводника с током:

где - магнитная индукция; - магнитная постоянная; - сила тока; - расстояние от проводника до точки.

Поток магнитной индукции через площадку равен:

где - площадь поверхности, которая пронизывается магнитным потоком.

Таким образом, поток магнитной индукции пропорционален величине тока в проводнике.

Для катушки, в которой - число витков, а - длина, индукция магнитного поля определяется следующим соотношением:

Магнитный поток, созданный катушкой с числом витков N , равен:

Подставив в данное выражение формулу индукции магнитного поля, получаем:

Отношение числа витков к длине катушки обозначим числом :

Получаем окончательное выражение для магнитного потока:

Из полученного соотношения видно, что значение потока зависит от величины тока и от геометрии катушки (радиус, длина, число витков). Величина, равная , называется индуктивностью:

Единицей измерения индуктивности является генри:

Следовательно, поток магнитной индукции, вызванный током в катушке, равен:

С учетом формулы для ЭДС индукции , получаем, что ЭДС самоиндукции равна произведению скорости изменения тока на индуктивность, взятому со знаком «-»:

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

Электродвижущая сила самоиндукции прямо пропорциональна скорости изменения тока, протекающего сквозь проводник, взятой со знаком минус. Коэффициент пропорциональности называется индуктивностью , которая зависит от геометрических параметров проводника.

Проводник имеет индуктивность, равную 1 Гн, если при скорости изменения тока в проводнике, равной 1 А в секунду, в этом проводнике возникает электродвижущая сила самоиндукции, равная 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.

Список литературы

  1. Мякишев Г.Я. Физика: Учеб. для 11 кл. общеобразоват. учреждений. - М.: Просвещение, 2010.
  2. Касьянов В.А. Физика. 11 кл.: Учеб. для общеобразоват. учреждений. - М.: Дрофа, 2005.
  3. Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И., Физика 11. - М.: Мнемозина.
  1. Интернет-портал Myshared.ru ().
  2. Интернет-портал Physics.ru ().
  3. Интернет-портал Festival.1september.ru ().

Домашнее задание

  1. Вопросы в конце параграфа 15 (стр. 45) - Мякишев Г.Я. Физика 11 (см. список рекомендованной литературы)
  2. Индуктивность какого проводника равна 1 Генри?


 

Возможно, будет полезно почитать: