Кем и когда было открыто явление электромагнитной индукции: Кем и когда было открыто явление электромагнитной индукции?

Содержание

Опыты Фарадея. Индукционный ток. Правило Ленца

      С момента открытия связи магнитного поля с током (что является подтверждением симметрии законов природы), делались многочисленные попытки получить ток с помощью магнитного поля. Задача была решена Майклом Фарадеем в 1831 г. (Американец Джозеф Генри тоже открыл, но не успел опубликовать свои результаты. Ампер также претендовал на открытие, но не смог представить свои результаты).


Фарадей Майкл (1791–1867) – знаменитый английский физик. Исследования в области электричества, магнетизма, магнитооптики, электрохимии. Создал лабораторную модель электродвигателя. Открыл экстратоки при замыкании и размыкании цепи и установил их направление. Открыл законы электролиза, первый ввел понятия поля и диэлектрической проницаемости, в 1845 г. употребил термин «магнитное поле». Кроме всего прочего, М. Фарадей открыл явления диа- и парамагнетизма. Он установил, что все материалы в магнитном поле ведут себя по-разному: ориентируются по полю (пара- и ферромагнетики) или поперек поля – диамагнетики.

      Из школьного курса физики опыты Фарадея хорошо известны (рис 3.1,рис 3.2, рис 3.3).

Рис. 3.1                                         Рис. 3.2

Рис. 3.3

      Если подносить постоянный магнит к катушке или наоборот (рис.3.1), то в катушке возникнет электрический ток. То же самое происходит с двумя близко расположенными катушками: если к одной из катушек подключить источник переменного тока, то в другой также возникнет переменный ток (рис. 3.2), но лучше всего этот эффект проявляется, если две катушки соединить сердечником (рис. 3.3).

      По определению Фарадея общим для этих опытов является следующее: если поток вектора индукции, пронизывающий замкнутый, проводящий контур, меняется, то в контуре возникает электрический ток.

      Это явление называют явлением электромагнитной индукции, а ток – индукционным. При этом явление совершенно не зависит от способа изменения потока вектора магнитной индукции.

      Итак, получается, что движущиеся заряды (ток) создают магнитное поле, а движущееся магнитное поле создает (вихревое) электрическое поле и собственно индукционный ток.

      Для каждого конкретного случая Фарадей указывал направление индукционного тока.

      В 1833 г. русский физик Э.Х. Ленц установил общее правило нахождения направления тока: индукционный ток всегда направлен так, что магнитное поле этого тока препятствует изменению магнитного потока, вызывающего индукционный ток. Это утверждение носит название правило Ленца.

      Заполнение всего пространства однородным магнетиком приводит, при прочих равных условиях, к увеличению индукции в µ раз. Этот факт подтверждает то, что индукционный ток обусловлен изменением потока вектора магнитной индукции , а не потока вектора напряженности .


ЯВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ — PDF Free Download

Учитель физики Шпаковская О.Ю.

Учитель физики Шпаковская О.Ю. 9 класс Урок по теме «Электромагнитная индукция» Цель: изучить понятие электромагнитной индукции. Учащиеся должны знать: понятие электромагнитной индукции; понятие индукционный

Подробнее

Электромагнитная индукция

И. В. Яковлев Материалы по физике MathUs.ru Электромагнитная индукция Темы кодификатора ЕГЭ: явление электромагнитной индукции, магнитный поток, закон электромагнитной индукции Фарадея, правило Ленца.

Подробнее

U а) 2 А, б) 5 А, в) 10 А

Тест по электротехнике. Вариант 1. 1.Какие приборы изображены на схеме? а) электрическая лампочка и резистор; б) электрическая лампочка и плавкий предохранитель; в) источник электрического тока и резистор.

Подробнее

ЗАДАНИЙ ЧАСТЬ «МАГНИТНОЕ ПОЛЕ».

ФИЗИКА 11.1 класс. Профиль. БАНК ЗАДАНИЙ ЧАСТЬ 2 «МАГНИТНОЕ ПОЛЕ». 1. Подберите наиболее правильное продолжение фразы «Магнитные поля создаются…»: A. атомами железа. Б. электрическими зарядами. B. магнитными

Подробнее

Тема 2.3. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ

Тема 2.3. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ 1. Явление электромагнитной индукции (опыты Фарадея) 2. Закон Фарадея 3. Вихревые токи (токи Фуко) 4. Индуктивность контура. Самоиндукция 5. Взаимная индукция 1. Явление

Подробнее

ПОДГОТОВКА к ОГЭ ЧАСТЬ 1

ПОДГОТОВКА к ОГЭ ЧАСТЬ 1 ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ 1. Внутри катушки, соединенной с гальванометром, находится малая катушка, подключенная к источнику постоянного тока. В каком из перечисленных опытов гальванометр

Подробнее

Явление электромагнитной индукции

Магнитное поле Явление электромагнитной индукции. Закон электромагнитной индукции Фарадея. Правило Ленца. Вихревое электрическое поле. Токи Фуко. Генератор, электродвигатель. Явление электромагнитной индукции

Подробнее

Электромагнитная индукция

Электромагнитная индукция Явление электромагнитной индукции Электромагнитная индукция явление возникновения тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего его. Явление

Подробнее

Отложенные задания (40)

Отложенные задания (40) На рисунках изображены постоянные магниты с указанием линий магнитной индукции полей, создаваемых ими, и магнитные стрелки. На каком из рисунков правильно изображено положение магнитной

Подробнее

Тема 3.2 Переменный ток

. Вращение рамки в магнитном поле. Переменный ток 3. Трансформаторы Тема 3. Переменный ток. Вращение рамки в магнитном поле Явление электромагнитной индукции применяется для преобразования механической

Подробнее

9.Электродинамика. Магнетизм.

9.Электродинамика. Магнетизм. 005 1.Силу Лоренца можно определить по формуле А) F = q υ Bsinα. B) F = I Δ l Bsinα. C) F = qe. D) F = k. E) F = pgv..токи, возникающие в массивных проводниках, называют А)

Подробнее

ФОНД ОЦЕНОЧНЫХ СРЕДСТВ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. А.Н. ТУПОЛЕВА-КАИ» Зеленодольский институт машиностроения

Подробнее

Лекц ия 21 Электромагнитная индукция

Лекц ия 21 Электромагнитная индукция Вопросы. Опыты Фарадея. Направление индукционного тока. Правило Ленца. Электродвижущая сила индукции. Закон электромагнитной индукции. Вихревое электрическое поле.

Подробнее

На протяжении нескольких десятилетий

Òðàíñôîðìàòîð О физической сути явления трансформации токов уже сообщалось в главе, посвященной телефону. Нужно, однако, сказать еще несколько слов об изобретении этого замечательного устройства, позволившем

Подробнее

ЛЕКЦИЯ 11. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ

ЛЕКЦИЯ 11. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ Серюкова Ирина Владимировна, к.ф.-м.н., доцент кафедры «Физики» КрасГАУ Использованная литература 1. Грабовский Р.И. Курс физики.- СПб.: Издательство «Лань», 00. Трофимова

Подробнее

СОДЕРЖАНИЕ. Предисловие Электрическое

СОДЕРЖАНИЕ Предисловие…11 1 Введение 2 Электрический 3 Электрическое 4 Электрическое в электротехнику…12 Понятие о веществе…13 Понятие об атоме…14 Несколько поучительных чисел…16 Электрический

Подробнее

Основы электротехники

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ Учреждение образования «Брестский государственный технический университет» Кафедра автоматизации технологических процессов и производств УТВЕРЖДАЮ Ректор университета

Подробнее

4. Электромагнитная индукция

4 Электромагнитная индукция 41 Закон электромагнитной индукции 1 Электрические токи создают вокруг себя магнитное поле Существует и обратное явление: магнитное поле вызывает появление электрических токов

Подробнее

Норматив оснащения темы 2.

4

п/п Наименование средства обучения 1 Опорные конспекты Норматив оснащения темы 2.4 Магнитное поле. Электромагнитная индукция Название средства обучения «Взаимодействие проводников с током. Индукция магнитного

Подробнее

ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

М. И. КУЗНЕЦОВ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ ПЯТОЕ ИЗДАНИЕ, ПЕРЕРАБОТАННОЕ ПОД РЕДАКЦИЕЙ КАНД. ТЕХН. НАУК С. В. СТРАХОВА Одобрено Ученым советом по профессионально-техническому образованию Главного управления

Подробнее

Лабораторные работы.

Лабораторные работы. Лабораторная работа 1. Сравнение количеств теплоты при смешивании воды разной температуры. Цель работы: определить количество теплоты, отданное горячей водой и полученное холодной

Подробнее

ВВЕДЕНИЕ В ЭЛЕКТРОТЕХНИКУ

ВВЕДЕНИЕ В ЭЛЕКТРОТЕХНИКУ Задача 1. В схеме R 1 = R 3 = 40 Ом, R 2 = 20 Ом, R 4 = 30 Ом, I 3 = 5 А. Вычислить напряжение источника U и ток I 4. Зная ток I 3 (ток в резисторе R 3 ) по закону Ома найдем

Подробнее

Севастополь 2016 год

Государственное бюджетное образовательное учреждение города Севастополя «Средняя общеобразовательная школа 52 имени Ф.Д.Безрукова» Рабочая программа по предмету «Физика» для 8 класса на 2016/2017 учебный

Подробнее

9 класс Тесты для самоконтроля ТСК

ТСК 9.3.21 1.Выберите верное(-ые) утверждение(-я). А: магнитные линии замкнуты Б: магнитные линии гуще располагаются в тех областях, где магнитное поле сильнее В: направление силовых линий совпадает с

Подробнее

Отложенные задания (23)

Отложенные задания (23) Виток провода находится в магнитном поле, перпендикулярном плоскости витка, и своими концами замкнут на амперметр. Магнитная индукция поля меняется с течением времени согласно графику

Подробнее

Электромагнитная индукция. Лекция 2.7.

Электромагнитная индукция Лекция 2.7. ЯВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ 1. Опыты Фарадея. Индукционный ток. Правило Ленца. 2. Величина Э.Д.С. индукции. 3. Природа Э.Д.С. индукции. 4. Токи Фуко. 5. Явление

Подробнее

Раздел 5. Явление электромагнитной индукции

Основные
теоретические сведения

Явление
электромагнитной
индукции

было открыто выдающимся английским
физиком М.
Фарадеем
в
1831 г. Оно заключается в возникновении
электрического тока в замкнутом
проводящем контуре при изменении во
времени магнитного
потока
,
пронизывающего контур.

Магнитным
потоком

Φ через площадь S
контура называют величину:

(5. 1)

де
B
– модуль вектора
магнитной индукции
,
α – угол между вектором

и
нормалью

к плоскости контура (рис. 5.1.).

Рис.5.
1. Магнитный поток через замкнутый
контур. Направление нормали

и выбранное положительное направление
обхода контура связаны правилом
правого буравчика

Единица
магнитного потока в СИ называется вебер
(Вб).

Магнитный
поток в
1
Вб

,
создается магнитным полем с индукцией
1
Тл,

пронизывающим по направлению нормали
плоский контур площадью 1
м
2:

1Вб=1
Тл ·м
2.

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

(5. 2)

Эта
формула выражает закон
электромагнитной индукции Фарадея
.

Опыт
показывает, что 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.

Это
утверждение, сформулированное в 1833 г.,
называется правилом
Ленца
.

Рис. 5.2
иллюстрирует правило Ленца на примере
неподвижного проводящего контура,
который находится в однородном магнитном
поле, модуль индукции которого
увеличивается во времени.

Рис.5.2.
Иллюстрация правила Ленца. В этом
примере
инд < 0.

Индукционный
ток Iинд
течет навстречу выбранному положительному
направлению

обхода
контура

Правило
Ленца отражает тот экспериментальный
факт, что

инд
и

всегда имеют противоположные знаки
(знак «минус» в формуле Фарадея).

Правило
Ленца имеет глубокий физический смысл
– оно выражает закон сохранения энергии.

Изменение
магнитного потока, пронизывающего
замкнутый контур, может происходить по
двум причинам:

1.
Магнитный поток изменяется вследствие
перемещения контура или его частей в
постоянном во времени магнитном поле.
Это случай, когда проводники, а вместе
с ними и свободные носители заряда,
движутся в магнитном поле. Возникновение
ЭДС индукции объясняется действием
силы Лоренца на свободные заряды в
движущихся проводниках. Cила
Лоренца

играет в этом случае роль сторонней
силы.

Рассмотрим
в качестве примера возникновение ЭДС
индукции в прямоугольном контуре,
помещенном в однородное магнитное поле

перпендикулярное
плоскости контура. Пусть одна из сторон
контура длиной l

скользит со скоростью

по
двум другим сторонам (рис. 5.3).

Рис.
5.3. Возникновение ЭДС индукции в
движущемся проводнике. Указана
составляющая силы Лоренца, действующей
на свободный электрон

На
свободные заряды на этом участке контура
действует сила Лоренца. Одна из
составляющих этой силы, связанная с
переносной
скоростью

зарядов,
направлена вдоль проводника. Эта
составляющая указана на рис. 5.3. Она
играет роль сторонней силы.

Ее модуль равен:

(5.3)

Работа
силы FЛ
на пути l
равна:

(5.4)

По
определению ЭДС
:

В
других неподвижных частях контура
сторонняя сила равна нулю. Соотношению
для

инд
можно придать привычный вид. За время
Δt
площадь контура изменяется на ΔS
= lυΔt.
Изменение магнитного потока за это
время равно ΔΦ = BlυΔt.
Следовательно,

(5.6)

Для
того, чтобы установить знак в формуле,
связывающей

инд
и

нужно
выбрать согласованные между собой по
правилу правого буравчика направление
нормали

и
положительное направление обхода
контура

как
это сделано на рис. 5.1 и 5.2. Если это
сделать, то легко прийти к формуле
Фарадея.

Если
сопротивление всей цепи равно R,
то по ней будет протекать индукционный
ток, равный Iинд
=

инд/R.

За
время Δt
на сопротивлении R
выделится джоулево
тепло:

(5. 7)

Возникает
вопрос: откуда
берется эта энергия, ведь сила Лоренца
работы не совершает!
Этот
парадокс возник потому, что мы учли
работу только одной составляющей силы
Лоренца. При протекании индукционного
тока по проводнику, находящемуся в
магнитном поле, на свободные заряды
действует еще одна составляющая силы
Лоренца, связанная с относительной
скоростью движения зарядов вдоль
проводника. Эта составляющая ответственна
за появление
силы Ампера

.
Для случая, изображенного на рис. 5.3,
модуль силы Ампера равен FA
= I B l.
Сила Ампера направлена навстречу
движению проводника; поэтому она
совершает отрицательную механическую
работу. За время Δt
эта работа Aмех
равна:

(5.8)

Движущийся
в магнитном поле проводник, по которому
протекает индукционный ток, испытывает
магнитное
торможение
.

Полная
работа силы Лоренца равна нулю
.
Джоулево тепло в контуре выделяется
либо за счет работы внешней силы, которая
поддерживает скорость проводника
неизменной, либо за счет уменьшения
кинетической энергии проводника.

2.
Вторая причина изменения магнитного
потока, пронизывающего контур, –
изменение во времени магнитного поля
при неподвижном контуре. В этом случае
возникновение ЭДС индукции уже нельзя
объяснить действием силы Лоренца.
Электроны в неподвижном проводнике
могут приводиться в движение только
электрическим полем. Это электрическое
поле порождается изменяющимся во времени
магнитным полем. Работа этого поля при
перемещении единичного положительного
заряда по замкнутому контуру равна ЭДС
индукции в неподвижном проводнике.
Следовательно, электрическое поле,
порожденное изменяющимся магнитным
полем, не
является
потенциальным.
Его называют вихревым
электрическим полем
.
Представление о вихревом электрическом
поле было введено в физику великим
английским физиком Дж.
Максвеллом

в 1861 г.

Явление
электромагнитной индукции в неподвижных
проводниках, возникающее при изменении
окружающего магнитного поля, также
описывается формулой Фарадея. Таким
образом, явления индукции в движущихся
и неподвижных проводниках протекают
одинаково
,
но физическая причина возникновения
индукционного тока оказывается в этих
двух случаях различной: в случае
движущихся проводников ЭДС индукции
обусловлена силой Лоренца; в случае
неподвижных проводников ЭДС индукции
является следствием действия на свободные
заряды вихревого электрического поля,
возникающего при изменении магнитного
поля.

Контрольные
вопросы

  1. Что
    такое магнитный поток?

  2. В
    каких единицах в СИ измеряется магнитный
    поток?

  3. Сформулируйте
    закон электромагнитной индукции
    Фарадея.

  4. Вследствие
    каких причин может изменяться магнитный
    поток, пронизывающий замкнутый проводящий
    контур?

  5. Какова
    роль силы Лоренца при движении проводника
    в магнитном поле?

  6. Что
    называют вихревым магнитным полем?

  7. Каковы
    условия возникновения вихревого
    магнитного поля?

  8. Сформулируйте
    правило Ленца для определения направления
    индукционного тока.

  9. В
    каком году и кем было открыто явление
    электромагнитной индукции?

  10. Что
    обозначает знак минус в законе Фарадея
    (формула (2))?

  11. Каков
    физический смысл правила Ленца?

  12. В
    каких единицах в СИ измеряется ЭДС
    электромагнитной индукции?

  13. Катушка,
    содержащая N=200
    круглых витков проволоки радиусом R=4
    см, помещена в однородное магнитное
    поле между полюсами большого электромагнита
    так, что нормаль

    к плоскости катушки составляет угол

    с направлением

    Магнитное поле уменьшается со скоростью

    Определить ЭДС индукции в катушке.

  14. Катушка,
    содержащая N=500
    круглых витков проволоки радиусом

R=4
см, помещена в однородное магнитное
поле между полюсами большого электромагнита
так, что нормаль

к плоскости катушки составляет угол

с направлением

Магнитное поле увеличивается со
скоростью

Определить ЭДС индукции в катушке.

  1. Проводящий
    брусок может скользить без трения по
    горизонтальным рельсам в однородном
    магнитном поле с индукцией В=0,6
    Тл. Линии магнитной индукции перпендикулярны
    плоскости рельсов, замкнутых резистором
    сопротивлением R=25
    Ом. Расстояние между рельсами

    =15
    см, брусок движется по ним с постоянной
    скоростью

    м/с.
    Считая рельсы и брусок идеальными
    проводниками, определите:

  1. ЭДС
    индукции в цепи;

  2. Силу
    индукционного тока;

  3. Внешнюю
    силу, которую необходимо приложить к
    бруску, чтобы он двигался с постоянной
    скоростью;

  4. Тепловую
    мощность, рассеиваемую в резисторе.

  1. Короткозамкнутая
    катушка, содержащая N=100
    витков радиусом R=2
    см, помещена в однородное магнитное
    поле с индукцией В=0,1
    Тл.
    Линии магнитной индукции перпендикулярны
    плоскости витков. Сопротивление катушки
    r=50
    Ом.
    Какой
    заряд Q
    протечет по цепи, если катушку повернуть
    на угол

    ?

Лабораторная
работа №9. Определение направления
индукционного тока в проволочной катушке

Цель
работы

Научиться
собирать электрические схемы и измерять
величину силы индукционного тока.

Приборы
и принадлежности.

Набор
«Электродинамика: рабочее поле;
миллиамперметр, магнит, катушка-моток,
провода соединительные.

Литература
для самоподготовки и указания к
самостоятельной работе

Козел
С.М. Физика. 10
11
классы: пособие для учащихся и абитуриентов.
В 2 ч. Ч.2./ С. М. Козел.
М.
: Мнемозина, 2010.
400
с. : ил. ISBN
978-5-346-01630-4

По
пособию проработать материал
«Электромагнитная индукция. Правило
Ленца», § 1.20, С.131-139.

Описание
экспериментальной установки

Экспериментальная
установка состоит из рабочего поля;
миллиамперметра, магнита, катушки-мотка,
проводов соединительных.

Фото
11. Установка для определения направления
индукционного тока

Порядок
выполнения работы

    1. Соберите
      электрическую цепь из последовательно
      соединенных катушки-мотка, миллиамперметра
      и соединительных проводов.

    2. Быстро
      введите вертикально расположенный
      постоянный магнит северным полюсом в
      катушку-моток и зафиксируйте направление
      отклонения стрелки миллиамперметра.
      Зарисуйте схему опыта.

    3. Затем
      поменяйте направление движения
      постоянного магнита. Быстро введите
      вертикально расположенный постоянный
      магнит южным полюсом в катушку-моток
      и зафиксируйте направление отклонения
      стрелки миллиамперметра. Зарисуйте
      схему опыта.

    4. Сформулируйте
      вывод по результатам проведенных
      опытов.

Содержание
отчета

      1. Титульный
        лист.

      2. Цель
        работы

      3. Приборы
        и принадлежности

      4. Схема
        (рисунок) экспериментальной установки
        с указанием ее основных частей.

    1. Вывод.

Литература

    1. Козел
      С.М. Физика. 10-11 классы: пособие для
      учащихся и абитуриентов. В 2 ч. Ч.1. / С.М.
      Козел. – М.:Мнемозина, 2010. – 287 с.: ил.
      ISBN 978-5-346-01629-8

    2. Козел
      С.М. Физика. 10-11 классы: пособие для
      учащихся и абитуриентов. В 2 ч. Ч.2. / С.М.
      Козел. – М.:Мнемозина, 2010. – 400 с.: ил.
      ISBN 978-5-346-016309-4

Приложение
1. Форма бланка отчета (образец)

Титульный
лист

Тольяттинский
государственный университет

Группа_____

Ученик
(ученица) ___________________

Отчет
о лабораторной работе:

К
работе допущен________________

Работа
выполнена________________

Теория
зачтена___________________

Урок фиэики «Электромагнитная индукция»

Урок по теме «Явление электромагнитной индукции. Опыты Фарадея» 9 класс.

Цель урока:

  • Усвоение обучающимися физической сущности и практической значимости понятия явление электромагнитной индукции

  • Формирование научного мировоззрения у учащихся, научной картины мира.

Задачи урока

Обучающие:

  • изучить явление электромагнитной индукции и условия его возникновения, понятие индукционный ток

  • рассмотреть историю вопроса о связи магнитного поля и электрического;

  • показать причинно-следственные связи при наблюдении явления электромагнитной индукции,

  • способствовать актуализации, закреплению и обобщению полученных знаний, самостоятельному конструированию новых знаний.

Развивающие:

Развивать логическое мышление и внимание, умение анализировать, сопоставлять полученные результаты, делать соответствующие выводы.

Воспитательные:

  • способствовать развитию познавательных интересов учащихся;

  • формировать активную жизненную позицию учащихся, способствовать моделированию собственной системы ценностей, базирующихся на идее саморазвития. (на примере биографии Фарадея)

  • понимание ценности науки для удовлетворения бытовых, производственных и культурных потребностей человека.

  • Здоровьесбережение.

Планируемые результаты обучения

  1. Предметные

Уметь описывать и объяснять явление электромагнитной индукции. Приводить примеры практического использования электромагнитной индукции.

  1. Метапредметные

-Познавательные

Приобретение опыта простых экспериментальных исследований. Представлять результаты измерений с помощью таблиц и выявлять на этой основе эмпирические зависимости. Осуществлять самостоятельный поиск информации в учебных текстах.

-Коммуникативные

Распределение функций при работе в паре.

-Регулятивные

Формирование навыков : выдвигать гипотезу, определять цель исследовательской деятельности, анализировать полученный результат, давать оценку своей деятельности на уроке .

  1. Личностные

Формирование целостного научного мировоззрения,

Оборудование: магниты, катушки, миллиамперметры ,проектор, компьютер, компьютерная презентация, ЦОР.

Тип урока: урок изучения и первичного закрепления материала.

Методы обучения: объяснительно- иллюстративный, репродуктивный, частично-поисковый, исследовательский.

Ход урока.

  1. Организационный момент.

Здравствуйте, ребята. Сегодня у нас открытый урок. Желаю вам творческого настроя и успешной работы

  1. Мотивация.

Предлагаю начать урок с небольшого социологического исследования. Вы согласны? (Слайд №1)Поднимите руку те, кто всегда носит с собой мобильный телефон. А теперь те, кто постоянно не носит, но пользуется довольно часто. Для чего чаще всего используете мобильник? А еще для чего можно использовать? Мобильный телефон стал сейчас для многих необходимой вещью. Можно и с друзьями пообщаться, и музыку послушать, и найти нужные сведения в Интернете, и поиграть, но все это требует затрат энергии. Хорошо, если есть возможность подзарядить телефон, а если вы находитесь, например, в походе? Как поступить в подобном случае? Ваши предложения. Спасибо, но это не все возможные варианты. (Слайд № 2 с зарядным устройством). На данном слайде показано зарядное устройство, которое позволяет зарядить телефон без какого-либо источника тока. В розетку его включать не нужно. Как вы думаете, за счет чего оно работает?

Сегодня на уроке мы с вами должны узнать, как работает данное устройство, какое явление в нем происходит.

Открывается в презентации тема «Явление электромагнитной индукции»(Слайд №3)

  1. Актуализация знаний

. Сегодня мы продолжим разговор о магнитном поле. На уроке мы познакомимся с очень интересным явлением, связанным с магнитным полем и с гениальным ученым, автором открытия этого явления Майклом Фарадеем. Но прежде, чем приступить к новой теме, я хочу, чтобы вы вспомнили что вы уже знаете о магнитном поле?

Презентация (Слайд №4)

  1. На территории школы под землей зарыт провод, по которому течет электрический ток. Провод требует замены. Как с помощью приборов определить местоположение провода? Какие приборы можно использовать? (Компас или магнитная стрелка)

  2. Назовите источники магнитного поля. (Эл.ток; движущиеся эл. заряды)

  3. Кто и из какого опыта сделал это открытие? (Эрстед.Стрелка поворачивалась около проводника с током)

  4. Чем создается поле постоянного магнита?(Гипотеза Ампера. Кольцевые микротоки)

  1. Изучение нового материала

  1. Итак, Эрстеда доказал, что вокруг проводника с током существует магнитное поле . Значит, имея электрический ток, можно получить магнитное поле. — А нельзя ли наоборот, имея магнитное поле, получить электрический ток? Что для этого нужно сделать?

 Такую задачу в начале XIXв. Попытались решить многие ученые. Швейцарский физик Жан-Даниэль-Колладон , английский физик Майкл Фарадей, Ампер практически одновременно занимались решением этой проблемы. Колладон даже немного опередил Фарадея, но зафиксировать свой результат ему не удалось, потому что он работал один. Ампер также «просмотрел» это явление. Фарадей был профессором университета, у него были помощники, которые помогли ему увидеть неизвестное до того времени явление.

                До начала XIX в. человечество знало только химические источники тока — гальванические элементы. Английский ученый Майкл Фарадей был убежден в существовании взаимосвязи между различными явлениями природы. (Слайд№5) Магнитные и электрические поля связаны друг с другом. Эл.ток способен вызывать появление магнитного поля. А не может ли магнитное поле создать электрический ток? Поэтому в своем дневнике в 1822 г. Майкл Фарадей так и записал: «Превратить магнетизм в электричество!» И шел к своей цели целых десять лет. Как напоминание о том, над чем ему все время следует думать, он даже носил в кармане магнит. И такая взаимосвязь была установлена.

И только через10 лет он смог решить эту задачу. Мы с вами «откроем» то, что Фарадей не мог открыть 10 лет, за несколько минут.

2) Фронтальный Эксперимент.(Слайд №6-8)

-Листы с отчетом (заполняются учащимися в ходе эксперимента)

Определите ,по результатам опыта, при каком условии отклонялась стрелка миллиамперметра? т.е. возникал электрический ток?

Вывод: Только переменное магнитное поле наводит (индуцирует) электрический ток.

Давайте сформулируем и запишем в тетрадь определение электромагнитной индукции

«Электромагнитная индукция — явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре, который находится в переменном магнитном поле». (Слайд№9)

Такой ток называется индукционным.

3)Теперь давайте вернемся к зарядному устройству телефона. Какой принцип действия заложен в его устройстве?

Физкультминутка(деформация растяжения, кручения, мягкая бесшумная посадка)

4)Какой прибор создавал переменное магнитное поле в нашем эксперименте?

С помощью какого еще прибора мы можем создать такое же магнитное поле? Давайте посмотрим видеофрагмент.

ЦОР. ( Разновидность опыта Фарадея)

5)Мы с вами с легкостью проделали опыт по наблюдению явления электромагнитной индукции. Почему же великие умы мира 10 лет бились над решением этой задачи?

(приложение 2, нижний абзац)

Вывод о трудностях научного познания.

6) Еще я хотела бы обратить внимание на личность Майкла Фарадея. (приложение2, первый пункт)

-прочитайте его.

Из какой семьи был Фарадей?

Каким способом он добился успеха в жизни?

Вывод: «Каждый сам кузнец своей жизни»

7) Применение электромагнитной индукции

Важность этого явления для всего человечества (Слайд №10)

Майклом Фарадеем было сделано открытие, лежащее в основе, устройства генераторов всех электростанций мира.

На основе явления электромагнитной индукции были созданы мощные генераторы электрической энергии, оно вызвало появление и бурное развитие электротехники и радиотехники.

Электрический ток никогда не получил бы такого широкого распространения если бы его нельзя было так легко преобразовать. А его преобразование основано тоже на явлении электромагнитной индукции.

Совершенствование производительных сил приводит к переходу общества на новый уровень своего развития. (Смена общественных формаций)

Физические открытия позволяют улучшить технические устройства, что приводит к развитию производства, улучшению условий жизни людей.

  1. Первичное закрепление (Слайд № 11)

  1. Кем, когда и как было открыто явление электромагнитной индукции?

  2. При каких условиях возникает индукционный ток в проводнике?

  3. Какое значение имело открытие явления электромагнитной индукции?

  1. Домашнее задание

п. 49, Ответить письменно на вопрос: Как повлияло открытие электромагнитной индукции на жизнь каждого человека и всего человечества?

7.Итоги урока

Сегодня на уроке мы с вами

  • изучили явление электромагнитной индукции и условия его возникновения;

  • рассмотрели историю вопроса о связи магнитного поля и электрического и теперь мы с вами знаем, что электрический ток порождает магнитное поле, а переменное магнитное поле порождает электрический ток

  • Убедились в важности этого явления для научно-технического прогресса;

  1. Рефлексия (Слайд №12)

красная

синяя

На уроке я работал

активно

пассивно

Своей работой на уроке я

доволен

недоволен

Урок мне показался

коротким

длинным

За урок я

устал

не устал

Мое настроение

стало лучше

стало хуже

Материал урока мне

полезен

бесполезен

понятен

непонятен

интересен

скучен

Домашнее задание мне кажется

легким

трудным

Урока время истекло

И вам я очень благодарна

За то, что встретили тепло

И поработали ударно

Приложение1

Фронтальный опыт

Изучение явления электромагнитной индукции при относительном движении катушки и постоянного магнита.

Цель работы: Изучить явление электромагнитной индукции.

Оборудование: Подковообразный постоянный магнит, миллиамперметр, катушка, соединительные провода.

Порядок выполнения:

  1. Соберите цепь.

  2. Двигайте катушку к одному из полюсов.

  3. Двигайте катушку от выбранного полюса.

  4. Заполните таблицу.

Движение магнита

Поведение стрелки миллиамперметра

Состояние магнитного поля

Движение одним полюсом внутрь катушки

Остановка

Выдвигается из катушки

Остановка

Вдвигается другим полюсом внутрь катушки

Остановка

Выдвигается из катушки

Приложение 2

Детство и юность

Майкл родился в семье лондонского кузнеца, в которой едва сводили концы с концами. Образование его было самым заурядным, в школе он постиг лишь начальные навыки чтения, письма и арифметики. В 13-ти летнем возрасте Майкл попадает на обучение к владельцу книжной лавки и переплётной мастерской, где вначале работал разносчиком книг и газет, а затем в совершенстве овладел переплётным мастерством. Здесь же он много и жадно читал, пополняя свои знания самообразованием.

Однажды, зашедший в книжную лавку член Лондонского Королевского общества Денс, застал Майкла за изучением серьёзного научного журнала «Химическое обозрение» и был крайне удивлён этим. Он тут же предложил мальчику прослушать цикл лекций известного во всей Европе химика Дэви. Фарадей обратился к Деви с просьбой о работе в его лаборатории.

Вскоре администратор Королевского института сообщил Дэви об освободившемся месте в лаборатории, предложив: «Пусть он моет посуду. Если он что-нибудь стоит, то начнёт работать. Ежели откажется, то значит, никуда не годится».В 1813 Фарадей поступил на освободившееся место лаборанта в Королевский институт. Здесь позднее были выполнены все его работы, сначала в области химии, а затем – физики. Именно здесь в 1827 году он получил профессорское звание.

Многие годы настойчиво проводил опыт за опытом, пытаясь решить эту проблему. Все это время Фарадей вел дневник, записывая вопросы, которые намечались для исследования на отдельных листах, а затем постепенно разрешал их. Все заметки были аккуратно пронумерованы. Пунктуальный и трудолюбивый Майкл Фарадейназывал три обязательных компонента научной работы: выполнение, составление отчёта и опубликование.

29 августа 1831 было открыто явление электромагнитной индукции – явление порождения электрического тока переменным магнитным полем. Напряженная работа позволила Фарадею всесторонне и полностью исследовать это явление, которое без преувеличения можно назвать фундаментом, в частности, всей современной электротехники. Но сам Фарадей не интересовался практической выгодой от своих открытий, он стремился к главному – исследованию законов Природы.

17 октября 1831 года он окончательно решил задачу, поставленную десять лет назад. «…Магнит сразу был вставлен в катушку. Стрелка гальванометра показала мгновенное отклонение… Если магнит оставался внутри катушки, то стрелка снова приходила в свое прежнее положение и при вынимании его отклонялась в противоположном направлении» — так записал Фарадей сделанное им открытие.

Один из современников сказал о Майкле Фарадее: «Имея перед глазами общую картину научной деятельности Фарадея, мы живо чувствуем, что перед нами единственное в своем роде явление в истории науки. Правда, можно найти еще много исследователей, посвятивших всю свою жизнь или большую часть ее только одной главной задаче; но никому другому, пожалуй, не дано было достигнуть при добровольном самоограничении такой глубины при таком разнообразии».

Ампер

До Фарадея такие же опыты проводил я. Но я работал без помощника. Пока я после вдвигания магнита шел в другую комнату( во избежании ошибок, катушка с магнитом и амперметр были разнесены в разные комнаты), ток, возникавший во время движения магнита, уже исчезал. Так я пропустил открытие электромагнитной индукции.

РЕБУС

Приложение 3.

Опорные слова.

Компас

Магнитная стрелка

Электрический ток

Эрстед

Гипотеза Ампера

Кольцевые микротоки

Приложение 3.

Опорные слова.

Компас

Магнитная стрелка

Электрический ток

Эрстед

Гипотеза Ампера

Кольцевые микротоки

Приложение 3.

Опорные слова.

Компас

Магнитная стрелка

Электрический ток

Эрстед

Гипотеза Ампера

Кольцевые микротоки

Кем была открыта электромагнитная индукция. К истории открытия явления электромагнитной индукции

Электромагнитная индукция
— это явление, которое заключается в возникновении электрического тока в замкнутом проводнике в результате изменения магнитного поля, в котором он находится. Это явление открыл английский физик М. Фарадей в 1831 г. Суть его можно пояснить несколькими простыми опытами.

Описанный в опытах Фарадея принцип получения переменного тока
используется в индукционных генераторах, вырабатывающих электрическую энергию на тепловых или гидроэлектростанциях. Сопротивление вращению ротора генератора, возникающее при взаимодействии индукционного тока с магнитным полем, преодолевается за счет работы паровой или гидротурбины, вращающей ротор. Такие генераторы преобразуют механическую энергию в энергию электрического тока

.

Вихревые токи, или токи Фуко

Если массивный проводник поместить в переменное магнитное поле, то в этом проводнике благодаря явлению электромагнитной индукции возникают вихревые индукционные токи, называемые токами Фуко
.

Вихревые токи
возникают также при движении массивного проводника в постоянном, но неоднородном в пространстве магнитном поле. Токи Фуко имеют такое направление, что действующая на них в магнитном поле сила тормозит движение проводника. Маятник в виде сплошной металлической пластинки из немагнитного материала, совершающий колебания между полюсами электромагнита, резко останавливается при включении магнитного поля.

Во многих случаях нагревание, вызываемое токами Фуко, оказывается вредным, и с ним приходится бороться. Сердечники трансформаторов, роторы электродвигателей набирают из отдельных железных пластин, разделенных слоями изолятора, препятствующего развитию больших индукционных токов, а сами пластины изготовляют из сплавов, имеющих высокое удельное сопротивление.

Электромагнитное поле

Электрическое поле, созданное неподвижными зарядами, является статическим и действует на заряды. Постоянный ток вызывает появление постоянного во времени магнитного поля, действующего на движущиеся заряды и токи. Электрическое и магнитное поля существуют в этом случае независимо друг от друга.

Явление электромагнитной индукции
демонстрирует взаимодействие этих полей, наблюдаемое в веществах, в которых есть свободные заряды, т. е. в проводниках. Переменное магнитное поле создает переменное электрическое поле, которое, действуя на свободные заряды, создает электрический ток. Этот ток, будучи переменным, в свою очередь порождает переменное магнитное поле, создающее электрическое поле в том же проводнике, и т. д.

Совокупность переменного электрического и переменного магнитного полей, порождающих друг друга, называется электромагнитным полем
. Оно может существовать и в среде, где нет свободных зарядов, и распространяется в пространстве в виде электромагнитной волны.

Классическая электродинамика
— одно из высших достижений человеческого разума. Она оказала огромное влияние на последующее развитие человеческой цивилизации, предсказав существование электромагнитных волн. Это привело в дальнейшем к созданию радио, телевидения, телекоммуникационных систем, спутниковых средств навигации, а также компьютеров, промышленных и бытовых роботов и прочих атрибутов современной жизни.

Краеугольным камнем теории Максвелла
явилось утверждение, что источником магнитного поля может служить одно только переменное электрическое поле, подобно тому, как источником электрического поля, создающим в проводнике индукционный ток, служит переменное магнитное поле. Наличие проводника при этом не обязательно — электрическое поле возникает и в пустом пространстве. Линии переменного электрического поля, аналогично линиям магнитного поля, замкнуты. Электрическое и магнитное поля электромагнитной волны равноправны.

Электромагнитная индукция в схемах и таблицах

До сих пор мы рассматривали электрические и магнитные поля, не изменяющиеся с течением времени. Было выяснено, что электрическое поле создается электрическими зарядами, а магнитное поле — движущимися зарядами, т. е. электрическим током. Перейдем к знакомству с электрическим и магнитным полями, которые меняются со временем.

Самый важный факт, который удалось обнаружить, — это теснейшая взаимосвязь между электрическим и магнитным полями. Изменяющееся во времени магнитное поле порождает электрическое поле, а изменяющееся электрическое поле порождает магнитное. Без этой связи между полями разнообразие проявлений электромагнитных сил не было бы столь обширным, каким оно является на самом деле. Не существовало бы ни радиоволн, ни света.

Не случайно первый, решающий шаг в открытии новых свойств электромагнитных взаимодействий был сделан основоположником представлений об электромагнитном поле — Фарадеем. Фарадей был уверен в единой природе электрических и магнитных явлений. Благодаря этому он сделал открытие, которое впоследствии легло в основу устройства генераторов всех электростанций мира, превращающих механическую энергию в энергию электрического тока. (Другие источники: гальванические элементы, аккумуляторы и др. — дают ничтожную долю вырабатываемой энергии.)

Электрический ток, рассуждал Фарадей, способен намагнитить кусок железа. Не может ли магнит, в свою очередь, вызвать появление электрического тока?

Долгое время эту связь обнаружить не удавалось. Трудно было додуматься до главного, а именно: только движущийся магнит или меняющееся во времени магнитное поле может возбудить электрический ток в катушке.

Какого рода случайности могли помешать открытию, показывает следующий факт. Почти одновременно с Фарадеем швейцарский физик Колладон пытался получить электрический ток в катушке с помощью магнита. При работе он пользовался гальванометром, легкая магнитная стрелка которого помещалась внутри катушки прибора. Чтобы магнит не оказывал непосредственного влияния на стрелку, концы катушки, в которую Колладон вдвигал магнит, надеясь получить в ней ток, были выведены в соседнюю комнату и там присоединены к гальванометру. Вставив магнит в катушку, Колладон шел в соседнюю комнату и с огорчением

убеждался, что гальванометр не показывает тока. Стоило бы ему все время наблюдать за гальванометром и попросить кого-нибудь заняться магнитом, замечательное открытие было бы сделано. Но этого не случилось. Покоящийся относительно катушки магнит не вызывает в ней тока.

Явление электромагнитной индукции заключается в возникновении электрического тока в проводящем контуре, который либо покоится в переменном во времени магнитном поле, либо движется в постоянном магнитном поле таким образом, что число линий магнитной индукции, пронизывающих контур, меняется. Оно было открыто 29 августа 1831 г. Редкий случай, когда дата нового замечательного открытия известна так точно. Вот описание первого опыта, данное самим Фарадеем:

«На широкую деревянную катушку была намотана медная проволока длиной в 203 фута и между витками ее намотана проволока такой же длины, но изолированная от первой хлопчатобумажной нитью. Одна из этих спиралей была соединена с гальванометром, а другая — с сильной батареей, состоящей из 100 пар пластин… При замыкании цепи удавалось заметить внезапное, но чрезвычайно слабое действие на гальванометре, и то же самое замечалось при прекращении тока. При непрерывном же прохождении тока через одну из спиралей не удавалось отметить ни действия на гальванометр, ни вообще какого-либо индукционного действия на другую спираль, несмотря на то что нагревание всей спирали, соединенной с батареей, и яркость искры, проскакивающей между углями, свидетельствовали о мощности батареи» (Фарадей М. «Экспериментальные исследования по электричеству», 1-я серия).

Итак, первоначально была открыта индукция в неподвижных друг относительно друга проводниках при замыкании и размыкании цепи. Затем, ясно понимая, что сближение или удаление проводников с током должно приводить к тому же результату, что и замыкание и размыкание цепи, Фарадей с помощью опытов доказал, что ток возникает при перемещении катушек друг

относительно друга. Знакомый с трудами Ампера, Фарадей понимал, что магнит — это совокупность маленьких токов, циркулирующих в молекулах. 17 октября, как зарегистрировано в его лабораторном журнале, был обнаружен индукционный ток в катушке во время вдвигания (или выдвигания) магнита. В течение одного месяца Фарадей опытным путем открыл все существенные особенности явления электромагнитной индукции.

В настоящее время опыты Фарадея может повторить каждый. Для этого надо иметь две катушки, магнит, батарею элементов и достаточно чувствительный гальванометр.

В установке, изображенной на рисунке 238, индукционный ток возникает в одной из катушек при замыкании или размыкании электрической цепи другой катушки, неподвижной относительно первой. В установке на рисунке 239 с помощью реостата меняется сила тока в одной из катушек. На рисунке 240, а индукционный ток появляется при движении катушек друг относительно друга, а на рисунке 240, б — при движении постоянного магнита относительно катушки.

Уже сам Фарадей уловил то общее, от чего зависит появление индукционного тока в опытах, которые внешне выглядят по-разному.

В замкнутом проводящем контуре возникает ток при изменении числа линий магнитной индукции, пронизывающих площадь, ограниченную этим контуром. И чем быстрее меняется число линий магнитной индукции, тем больше возникающий индукционный ток. При этом причина изменения числа линий магнитной индукции совершенно безразлична. Это может быть и изменение числа линий магнитной индукции, пронизывающих площадь неподвижного проводящего контура вследствие изменения силы тока в соседней катушке (рис. 238), и изменение числа линий индукции вследствие движения контура в неоднородном магнитном поле, густота линий которого меняется в пространстве (рис. 241).

Вектор магнитной индукции \(~\vec B\) характеризует магнитное поле в каждой точке пространства. Введем еще одну величину, зависящую от значения вектора магнитной индукции не в одной точке, а во всех точках произвольно выбранной поверхности. Эту величину называют потоком вектора магнитной индукции, или магнитным потоком
.

Выделим в магнитном поле настолько малый элемент поверхности площадью ΔS
, чтобы магнитную индукцию во всех его точках можно было считать одинаковой. Пусть \(~\vec n\) — нормаль к элементу, образующая угол α
с направлением вектора магнитной индукции (рис. 1).

Потоком вектора магнитной индукции через поверхность площадью ΔS
называют величину, равную произведению модуля вектора магнитной индукции \(~\vec B\) на площадь ΔS
и косинус угла α
между векторами \(~\vec B\) и \(~\vec n\) (нормалью к поверхности):

\(~\Delta \Phi = B \cdot \Delta S \cdot \cos \alpha\) .

Произведение B
∙cos α
= В
n представляет собой проекцию вектора магнитной индукции на нормаль к элементу. Поэтому

\(~\Delta \Phi = B_n \cdot \Delta S\) .

Поток может быть как положительным, так и отрицательным в зависимости от значения угла α
.

Если магнитное поле однородно, то поток через плоскую поверхность площадью S
равен:

\(~\Phi = B \cdot S \cdot \cos \alpha\) .

Поток магнитной индукции наглядно может быть истолкован как величина, пропорциональная числу линий вектора \(~\vec B\) , пронизывающих данную площадку поверхности.

Вообще говоря, поверхность может быть замкнутой. В этом случае число линий индукции, входящих внутрь поверхности, равно числу линий, выходящих из нее (рис. 2). Если поверхность замкнута, то положительной нормалью к поверхности принято считать внешнюю нормаль.

Линии магнитной индукции замкнуты, что означает равенство нулю потока магнитной индукции через замкнутую поверхность. (Выходящие из поверхности линии дают положительный поток, а входящие – отрицательный.) Это фундаментальное свойство магнитного поля связано с отсутствием магнитных зарядов. Если бы не было электрических зарядов, то и электрический поток через замкнутую поверхность был бы равен нулю.

Электромагнитная индукция

Открытие электромагнитной индукции

В 1821 г. Майкл Фарадей записал в своем дневнике: «Превратить магнетизм в электричество». Через 10 лет эта задача была им решена.

М. Фарадей был уверен в единой природе электрических и магнитных явлений, но долгое время взаимосвязь этих явлений обнаружить не удавалось. Трудно было додуматься до главного: только меняющееся во времени магнитное поле может возбудить электрический ток в неподвижной катушке или же сама катушка должна двигаться в магнитном поле.

Открытие электромагнитной индукции, как назвал Фарадей это явление, было сделано 29 августа 1831 г. Вот краткое описание первого опыта, данное самим Фарадеем. «На широкую деревянную катушку была намотана медная проволока длиной в 203 фута (фут равен 304,8 мм), и между витками ее намотана проволока такой же длины, но изолированная от первой хлопчатобумажной нитью. Одна из этих спиралей была соединена с гальванометром, а другая — с сильной батареей, состоящей из 100 пар пластин… При замыкании цепи удалось заметить внезапное, но чрезвычайно слабое действие на гальванометр, и то же самое замечалось при прекращении тока. При непрерывном же прохождении тока через одну из спиралей не удавалось отметить ни действия на гальванометр, ни вообще какого-либо индукционного действия на другую спираль, не смотря на то что нагревание всей спирали, соединенной с батареей, и яркость искры, проскакивающей между углями, свидетельствовали о мощности батареи».

Итак, первоначально была открыта индукция в неподвижных друг относительно друга проводниках при замыкании и размыкании цепи. Затем, ясно понимая, что сближение или удаление проводников с током должно приводить к тому же результату, что и замыкание и размыкание цепи, Фарадей с помощью опытов доказал, что ток возникает при перемещении катушек относительно друг друга (рис. 3).

Знакомый с трудами Ампера, Фарадей понимал, что магнит — это совокупность маленьких токов, циркулирующих в молекулах. 17 октября, как зарегистрировано в его лабораторном журнале, был обнаружен индукционный ток в катушке во время вдвигания (или выдвигания) магнита (рис. 4).

В течение одного месяца Фарадей опытным путем открыл все существенные особенности явления электромагнитной индукции. Оставалось только придать закону строгую количественную форму и полностью вскрыть физическую природу явления. Уже сам Фарадей уловил то общее, от чего зависит появление индукционного тока в опытах, которые внешне выглядят по-разному.

В замкнутом проводящем контуре возникает ток при изменении числа линий магнитной индукции, пронизывающих поверхность, ограниченную этим контуром. Это явление называется электромагнитной индукцией.

И чем быстрее меняется число линий магнитной индукции, тем больше возникающий ток. При этом причина изменения числа линий магнитной индукции совершенно безразлична. Это может быть и изменение числа линий магнитной индукции, пронизывающих неподвижный проводник вследствие изменения силы тока в соседней катушке, и изменение числа линий вследствие движения контура в неоднородном магнитном поле, густота линий которого меняется в пространстве (рис. 5).

Правило Ленца

Индукционный ток, возникший в проводнике, немедленно начинает взаимодействовать с породившим его током или магнитом. Если магнит (или катушку с током) приближать к замкнутому проводнику, то появляющийся индукционный ток своим магнитным полем обязательно отталкивает магнит (катушку). Для сближения магнита и катушки нужно совершить работу. При удалении магнита возникает притяжение. Это правило выполняется неукоснительно. Представьте себе, что дело обстояло бы иначе: вы подтолкнули магнит к катушке, и он сам собой устремился бы внутрь нее. При этом нарушился бы закон сохранения энергии. Ведь механическая энергия магнита увеличилась бы и одновременно возникал бы ток, что само по себе требует затраты энергии, ибо ток тоже может совершать работу. Индуцированный в якоре генератора электрический ток, взаимодействуя с магнитным полем статора, тормозит вращение якоря. Только поэтому для вращения якоря нужно совершать работу, тем большую, чем больше сила тока. За счет этой работы и возникает ин-дукционный ток. Интересно отметить, что если бы магнитное поле нашей планеты было очень большим и сильно неоднородным, то быстрые движения проводящих тел на ее поверхности и в атмосфере были бы невозможны из-за интенсивного взаимодействия индуцированного в теле тока с этим полем. Тела двигались бы как в плотной вязкой среде и при этом сильно разогревались бы. Ни самолеты, ни ракеты не могли бы летать. Человек не мог бы быстро двигать ни руками, ни ногами, так как человеческое тело — неплохой проводник.

Если катушка, в которой наводится ток, неподвижна относительно соседней катушки с переменным током, как, например, у трансформатора, то и в этом случае направление индукционного тока диктуется законом сохранения энергии. Этот ток всегда направлен так, что созданное им магнитное поле стремится уменьшить изменения тока в первичной обмотке.

Отталкивание или притяжение магнита катушкой зависит от направления индукционного тока в ней. Поэтому закон сохранения энергии позволяет сформулировать правило, определяющее направление индукционного тока. В чем состоит различие двух опытов: приближение магнита к катушке и его удаление? В первом случае магнитный поток (или число линий магнитной индукции, пронизывающих витки катушки) увеличивается (рис. 6, а), а во втором случае — уменьшается (рис. 6, б). Причем в первом случае линии индукции В
’ магнитного поля, созданного возникшим в катушке индукционным током, выходят из верхнего конца катушки, так как катушка отталкивает магнит, а во втором случае, наоборот, входят в этот конец. Эти линии магнитной индукции на рисунке 6 изображены штрихом.

Рис. 6

Теперь мы подошли к главному: при увеличении магнитного потока через витки катушки индукционный ток имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле препятствует нарастанию магнитного потока через витки катушки. Ведь вектор индукции \(~\vec B»\) этого поля направлен против вектора индукции \(~\vec B\) поля, изменение которого порождает электрический ток. Если же магнитный поток через катушку ослабевает, то индукционный ток создает магнитное поле с индукцией \(~\vec B»\) , увеличивающее магнитный поток через витки катушки.

В этом состоит сущность общего правила определения направления индукционного тока, которое применимо во всех случаях. Это правило было установлено русским физиком Э. X. Ленцем (1804-1865).

Согласно правилу Ленца

возникающий в замкнутом контуре индукционный ток имеет такое на-правление, что созданный им магнитный поток через поверхность, ограниченную контуром, стремится препятствовать тому изменению потока, которое порождает данный ток.

индукционный ток имеет такое направление, что препятствует причине его вызывающей.

В случае сверхпроводников компенсация изменения внешнего магнитного потока будет полной. Поток магнитной индукции через поверхность, ограниченную сверхпроводящим контуром, вообще не меняется со временем ни при каких условиях.

Закон электромагнитной индукции

Опыты Фарадея показали, что сила индукционного тока I
i в проводящем контуре пропорциональна скорости изменения числа линий магнитной индукции \(~\vec B\) , пронизывающих поверхность, ограниченную этим контуром. Более точно это утверждение можно сформулировать, используя понятие магнитного потока.

Магнитный поток наглядно истолковывается как число линий магнитной индукции, пронизывающих поверхность площадью S
. Поэтому скорость изменения этого числа есть не что иное, как скорость изменения магнитного потока. Если за малое время Δt
магнитный поток меняется на ΔФ
, то скорость изменения магнитного потока равна \(~\frac{\Delta \Phi}{\Delta t}\) .

Поэтому утверждение, которое вытекает непосредственно из опыта, можно сформулировать так:

сила индукционного тока пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром:

\(~I_i \sim \frac{\Delta \Phi}{\Delta t}\) .

Известно, что в цепи возникает электрический ток в том случае, когда на свободные заряды действуют сторонние силы. Работу этих сил при перемещении единичного положительного заряда вдоль замкнутого контура называют электродвижущей силой. Следовательно, при изменении магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, в нем появляются сторонние силы, действие которых характеризуется ЭДС, называемой ЭДС индукции. Обозначим ее буквой E
i .

Закон электромагнитной индукции формулируется именно для ЭДС, а не для силы тока. При такой формулировке закон выражает сущность явления, не зависящую от свойств проводников, в которых возникает индукционный ток.

Согласно закону электромагнитной индукции (ЭМИ)

ЭДС индукции в замкнутом контуре равна по модулю скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром:

\(~|E_i| = |\frac{\Delta \Phi}{\Delta t}|\) .

Как в законе электромагнитной индукции учесть направление индукционного тока (или знак ЭДС индукции) в соответствии с правилом Ленца?

На рисунке 7 изображен замкнутый контур. Будем считать положительным направление обхода контура против часовой стрелки. Нормаль к контуру \(~\vec n\) образует правый винт с направлением обхода. Знак ЭДС, т. е. удельной работы, зависит от направления сторонних сил по отношению к направлению обхода контура. Если эти направления совпадают, то E
i > 0 и соответственно I
i > 0. В противном случае ЭДС и сила тока отрицательны.

Пусть магнитная индукция \(~\vec B\) внешнего магнитного поля направлена вдоль нормали к контуру и возрастает со временем. Тогда Ф
> 0 и \(~\frac{\Delta \Phi}{\Delta t}\) > 0. Согласно правилу Ленца индукционный ток создает магнитный поток Ф
’ B
’ магнитного поля индукционного тока изображены на рисунке 7 штрихом. Следовательно, индукционный ток I
i направлен по часовой стрелке (против положительного направления обхода) и ЭДС индукции отрицательна. Поэтому в законе электромагнитной индукции должен стоять знак минус:

\(~E_i = — \frac{\Delta \Phi}{\Delta t}\) .

В Международной системе единиц закон электромагнитной индукции используют для установления единицы магнитного потока. Эту единицу называют вебером (Вб).

Так как ЭДС индукции E
i выражают в вольтах, а время в секундах, то из закона ЭМИ вебер можно определить следующим образом:

магнитный поток через поверхность, ограниченную замкнутым контуром, равен 1 Вб, если при равномерном убывании этого потока до нуля за 1 с в контуре возникает ЭДС индукции равная 1 В:

1 Вб = 1 В ∙ 1 с.

Вихревое поле

Изменяясь во времени, магнитное поле порождает электрическое поле
. К этому выводу впервые пришел Дж. Максвелл.

Теперь явление электромагнитной индукции предстает перед нами в новом свете. Главное в нем — это процесс порождения магнитным полем поля электрического. При этом наличие проводящего контура, например катушки, не меняет существа дела. Проводник с запасом свободных электронов (или других частиц) лишь помогает обнаружить возникающее электрическое поле. Поле приводит в движение электроны в проводнике и тем самым обнаруживает себя. Сущность явления электромагнитной индукции в неподвижном проводнике состоит не столько в появлении индукционного тока, сколько в возникновении электрического поля, которое приводит в движение электрические заряды.

Электрическое поле, возникающее при изменении магнитного поля, имеет совсем другую структуру, чем электростатическое. Оно не связано непосредственно с электрическими зарядами, и его линии напряженности не могут на них начинаться и кончаться. Они вообще нигде не начинаются и не кончаются, а представляют собой замкнутые линии, подобные линиям индукции магнитного поля. Это так называемое вихревое электрическое поле
. Может возникнуть вопрос: а почему, собственно, это поле называется электрическим? Ведь оно имеет другое происхождение и другую конфигурацию, чем статическое электрическое поле. Ответ прост: вихревое поле действует на заряд q
точно так же, как и электростатическое, а это мы считали и считаем главным свойством поля. Сила, действующая на заряд, по-прежнему равна \(~\vec F = q \vec E\) , где \(~\vec E\) — напряженность вихревого поля. Если магнитный поток создается однородным магнитным полем, сконцентрированным в длинной узкой цилиндрической трубке радиусом r
0 (рис. 8), то из соображений симметрии очевидно, что линии напряженности электрического поля лежат в плоскостях, перпендикулярных линиям \(~\vec B\) , и представляют собой окружности. В соответствии с правилом Ленца при возрастании магнитной индукции \(~\left (\frac{\Delta B}{\Delta t} > 0 \right)\) линии напряженности \(~\vec E\) образуют левый винт с направлением магнитной индукции \(~\vec B\) .

В отличие от статического или стационарного электрического поля работа вихревого поля на замкнутом пути не равна нулю. Ведь при перемещении заряда вдоль замкнутой линии напряженности электрического поля работа на всех участках пути имеет один и тот же знак, так как сила и перемещение совпадают по направлению. Вихревое электрическое поле, так же как и магнитное поле, не потенциальное.

Работа вихревого электрического поля по перемещению единичного положительного заряда вдоль замкнутого неподвижного проводника численно равна ЭДС индукции в этом проводнике.

Итак, переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле. Но не кажется ли вам, что одного утверждения здесь недостаточно? Хочется знать, каков же механизм данного процесса. Нельзя ли разъяснить, как эта связь полей осуществляется в природе? И вот тут-то ваша естественная любознательность не может быть удовлетворена. Никакого механизма здесь просто нет. Закон электромагнитной индукции — это фундаментальный закон природы, значит, основной, первичный. Действием его можно объяснить многие явления, но сам он остается необъяснимым просто по той причине, что нет более глубоких законов, из которых бы он вытекал в виде следствия. Во всяком случае сейчас такие законы неизвестны. Таковыми являются все основные законы: закон тяготения, закон Кулона и т.д.

Мы, конечно, вольны ставить перед природой любые вопросы, но не все они имеют смысл. Так, например, можно и нужно исследовать причины различных явлений, но пытаться выяснить, почему вообще существует причинность, — бесполезно. Такова природа вещей, таков мир, в котором мы живем.

Литература

  1. Жилко В.В. Физика: Учеб. пособие для 10-го кл. общеобразоват. шк. с рус. яз. обучения / В.В. Жилко, А.В. Лавриненко, Л.Г. Маркович. – Мн.: Нар. асвета, 2001. – 319 с.
  2. Мякишев, Г.Я. Физика: Электродинамика. 10-11 кл. : учеб. для углубленного изучения физики / Г.Я. Мякишев, А.3. Синяков, В.А. Слободсков. – М.: Дрофа, 2005. – 476 с.

2.7. ОТКРЫТИЕ ЯВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ

Большой вклад в современную электротехнику сделал английский ученый Майкл Фарадей, труды которого, в свою очередь, были подготовлены предшествовавшими работами по изучению электрических и магнитных явлений .

Есть нечто символическое в том, что в год рождения М. Фарадея (1791 г.) был опубликован трактат Луиджи Гальвани с первым описанием нового физического явления — электрического тока, а в год его смерти (1867 г.) была изобретена «динамомашина» — самовозбуждающийся генератор постоянного тока, т.е. появился надежный, экономичный и удобный в эксплуатации источник электрической энергии. Жизнь великого ученого и его неповторимая по своим методам, содержанию и значению деятельность не только открыли новую главу физики, но и сыграли решающую роль в рождении новых отраслей техники: электротехники и радиотехники.

Вот уже более ста лет многие поколения учащейся молодежи на уроках физики и из многочисленных книг узнают историю замечательной жизни одного из самых знаменитых ученых, члена 68 научных обществ и академий. Обычно имя М. Фарадея связывают с самым значительным и потому наиболее известным открытием — явлением электромагнитной индукции, сделанным им в 1831 г. Но еще за год до этого, в 1830 г. за исследования в области химии и электромагнетизма М.Фарадей был избран почетным членом Петербургской Академии наук, членом же Лондонского Королевского общества (Британской академии наук) он был избран еще в 1824 г. Начиная с 1816 г., когда увидела свет первая научная работа М. Фарадея, посвященная химическому анализу тосканской извести, и по 1831 г., когда стал публиковаться знаменитый научный дневник «Экспериментальные исследования по электричеству», М. Фарадеем было опубликовано свыше 60 научных трудов.

Огромное трудолюбие, жажда знаний, прирожденный ум и наблюдательность позволили М. Фарадею достичь выдающихся результатов во всех тех областях научных исследований, к которым обращался ученый. Признанный «король экспериментаторов» любил повторять: «Искусство экспериментатора состоит в том, чтобы уметь задавать природе вопросы и понимать ее ответы».

Каждое исследование М. Фарадея отличалось такой обстоятельностью и настолько согласовывалось с предыдущими результатами, что среди современников почти не находилось критиков его работ.

Если исключить из рассмотрения химические исследования М. Фарадея, которые в своей области также составляли эпоху (достаточно вспомнить об опытах сжижения газов, об открытии бензола, бутилена), то все прочие его работы, на первый взгляд иногда разрозненные, как мазки на полотне художника, взятые вместе, образуют изумительную картину всестороннего исследования двух проблем: взаимопревращений различных форм энергии и физического содержания среды.

Рис. 2.11. Схема «электромагнитных вращений» (по рисунку Фарадея)

1, 2
— чаши с ртутью; 3
— подвижный магнит; 4
— неподвижный магнит; 5, 6
— провода, идущие к батарее гальванических элементов; 7 — медный стержень; 8
— неподвижный проводник; 9
— подвижный проводник

Работам М. Фарадея в области электричества положило начало исследование так называемых электромагнитных вращений. Из серии опытов Эрстеда, Араго, Ампера, Био, Савара, проведенных в 1820 г., стало известно не только об электромагнетизме, но и о своеобразии взаимодействий тока и магнита: здесь, как уже отмечалось, действовали не привычные для классической механики центральные силы, а силы иные, стремившиеся установить магнитную стрелку перпендикулярно проводнику. М. Фарадей поставил перед собой вопрос: не стремится ли магнит к непрерывному движению вокруг проводника стоком? Опыт подтвердил гипотезу. В 1821 г. М. Фарадей дал описание физического прибора, схематически представленного на рис. 2.11. В левом сосуде с ртутью находился стержневой постоянный магнит, закрепленный шарнирно в нижней части. При включении тока его верхняя часть вращалась вокруг неподвижного проводника. В правом сосуде стержень магнита был неподвижен, а проводник с током, свободно подвешенный на кронштейне, скользил по ртути, совершая вращение вокруг полюса магнита. Поскольку в этом опыте впервые фигурирует магнитоэлектрическое устройство с непрерывным движением, то вполне правомерно начать именно с этого устройства историю электрических машин вообще и электродвигателя в частности. Обратим также внимание на ртутный контакт, нашедший впоследствии применение в электромеханике.

Именно с этого момента, судя по всему, у М. Фарадея начинают складываться представления о всеобщей «взаимопревращаемости сил». Получив при помощи электромагнетизма непрерывное механическое движение, он ставит перед собой задачу обратить явление или, по терминологии М. Фарадея, превратить магнетизм в электричество.

Только абсолютная убежденность в справедливости гипотезы о «взаимопревращаемости» может объяснить целеустремленность и настойчивость, тысячи опытов и 10 лет напряженного труда, затраченного на решение сформулированной задачи. В августе 1831 г. был сделан решающий опыт, а 24 ноября на заседании в Королевском обществе была изложена сущность явления электромагнитной индукции.

Рис. 2.12. Иллюстрация опыта Араго («магнетизма вращения»)

1
— проводящий немагнитный диск; 2
— стеклянное основание для крепления оси диска

В качестве примера, характеризующего ход мыслей ученого и формирование его представлений об электромагнитном поле, рассмотрим исследование М. Фарадеем явления, получившего тогда название «магнетизма вращения». За много лет до работ М. Фарадея мореплаватели замечали тормозящее влияние медного корпуса компаса на колебания магнитной стрелки. В 1824 г. Д.Ф. Араго (см. § 2.5) описал явление «магнетизма вращения», удовлетворительно объяснить которое ни он, ни другие физики не могли. Сущность явления состояла в следующем (рис. 2.12). Подковообразный магнит мог вращаться вокруг вертикальной оси, а над его полюсами находился алюминиевый или медный диск, который также мог вращаться на оси, направление вращения которой совпадало с направлением вращения оси магнита. В состоянии покоя никаких взаимодействий между диском и магнитом не наблюдалось. Но стоило начать вращать магнит, как диск устремлялся вслед за ним и наоборот. Чтобы исключить возможность увлечения диска потоками воздуха, магнит и диск были разделены стеклом.

Открытие электромагнитной индукции помогло М. Фарадею объяснить явление Д.Ф. Араго и уже в самом начале исследования записать: «Я надеялся сделать из опыта г-на Араго новый источник электричества».

Практически одновременно с М. Фарадеем электромагнитную индукцию наблюдал выдающийся американский физик Джозеф Генри (1797–1878 гг.). Нетрудно себе представить переживания ученого, будущего президента американской Национальной академии наук, когда он, собираясь опубликовать свои наблюдения, узнал о публикации М. Фарадея. Год спустя Д. Генри открыл явление самоиндукции и экстратоки, а также установил зависимость индуктивности цепи от свойств материала и конфигурации сердечников катушек. В 1838 г. Д. Генри изучал «токи высшего порядка», т.е. токи, индуцированные другими индуцированными токами. В 1842 г. продолжение этих исследований привело Д. Генри к открытию колебательного характера разряда конденсатора (позднее, в 1847 г., это открытие повторил выдающийся немецкий физик Герман Гельмгольц) (1821–1894 гг.).

Обратимся к главным опытам М. Фарадея. Первая серия опытов закончилась экспериментом, демонстрировавшим явление «вольта-электрической» (по терминологии М. Фарадея) индукции (рис. 2.13, а
— г). Обнаружив возникновение тока во вторичной цепи 2
при замыкании или размыкании первичной 1
или при взаимном перемещении первичной и вторичной цепей (рис. 2.13, в),
М. Фарадей поставил эксперимент для выяснения свойств индуцированного тока: внутрь спирали б,
включенной во вторичную цепь, помещалась стальная игла 7 (рис. 2.13, б),
которая намагничивалась индуцированным током. Результат говорил о том, что индуцированный ток подобен току, получаемому непосредственно от гальванической батареи 3.

Рис. 2.13. Схемы основных опытов, приведших к открытию электромагнитной индукции

Заменив деревянный или картонный барабан 4,
на который наматывались первичная и вторичная обмотки, стальным кольцом (рис. 2.13, г), М. Фарадей обнаружил более интенсивное отклонение стрелки гальванометра 5.
Данный опыт указывал на существенную роль среды в электромагнитных процессах. Здесь М. Фарадей впервые применяет устройство, которое можно назвать прототипом трансформатора.

Вторая серия опытов иллюстрировала явление электромагнитной индукции, возникавшее при отсутствии источника напряжения в первичной цепи. Исходя из того, что катушка, обтекаемая током, идентична магниту, М. Фарадей заменил источник напряжения двумя постоянными магнитами (рис. 2.13, д)
и наблюдал ток во вторичной обмотке при замыкании и размыкании магнитной цепи. Это явление он назвал «магнитоэлектрической индукцией»; позднее им было отмечено, что никакой принципиальной разницы между «вольта-электрической» и «магнитоэлектрической» индукцией нет. Впоследствии оба эти явления были объединены термином «электромагнитная индукция». В заключительных экспериментах (рис. 2.13, е, ж)
демонстрировалось появление индуцированного тока при движении постоянного магнита или катушки с током внутри соленоида. Именно этот опыт нагляднее других продемонстрировал возможность превращения «магнетизма в электричество» или, точнее выражаясь, механической энергии в электрическую.

На основе новых представлений М. Фарадей и дал объяснение физической стороны опыта с диском Д.Ф. Араго. Кратко ход его рассуждений можно изложить следующим образом. Алюминиевый (или любой другой проводящий, но немагнитный) диск можно представить себе в виде колеса с бесконечно большим числом спиц — радиальных проводников. При относительном движении магнита и диска эти спицы-проводники «перерезают магнитные кривые» (терминология Фарадея), и в проводниках возникает индуцированный ток. Взаимодействие же тока с магнитом было уже известно. В истолковании М. Фарадея обращает на себя внимание терминология и способ объяснения явления. Для определения направления индуктированного тока он вводит правило ножа, перерезающего силовые линии. Это еще не закон Э.Х. Ленца, для которого свойственна универсальность характеристики явления, а только попытки каждый раз путем подробных описаний установить, будет ли ток протекать от рукоятки к кончику лезвия или наоборот. Но здесь важна принципиальная картина: М. Фарадей в противовес сторонникам теории дальнодействия, заполняет пространство, в котором действуют различные силы, материальной средой, эфиром, развивая эфирную теорию Л. Эйлера, находящегося, в свою очередь, под влиянием идей М.В. Ломоносова.

М. Фарадей придавал магнитным, а затем при исследовании диэлектриков и электрическим силовым линиям физическую реальность, наделял их свойством упругости и находил очень правдоподобные объяснения самым различным электромагнитным явлениям, пользуясь представлением об этих упругих линиях, похожих на резиновые нити.

Прошло более полутора столетий, а мы до сих пор не нашли более наглядного способа и схемы объяснения явлений, связанных с индукцией и электромеханическими действиями, чем знаменитая концепция фарадеевских линий, которые и поныне нам представляются вещественно ощутимыми.

Из диска Д.Ф. Араго М. Фарадей действительно сделал новый источник электричества. Заставив вращаться алюминиевый или медный диск между полюсами магнита, М. Фарадей наложил на ось диска и на его периферию щетки.

Таким образом была сконструирована электрическая машина, получившая позднее наименование униполярного генератора.

При анализе работ М. Фарадея отчетливо проявляется генеральная идея, которая разрабатывалась великим ученым всю его творческую жизнь. Читая М. Фарадея, трудно отделаться от впечатления, что он занимался только одной проблемой взаимопревращений различных форм энергии, а все его открытия совершались между делом и служили лишь целям иллюстрации главной идеи. Он исследует различные виды электричества (животное, гальваническое, магнитное, термоэлектричество) и, доказывая их качественную тождественность, открывает закон электролиза. При этом электролиз, как и вздрагивание мышц препарированной лягушки, служил первоначально лишь доказательством того, что все виды электричеств проявляются в одинаковых действиях.

Исследования статического электричества и явления электростатической индукции привели М. Фарадея к формированию представлений о диэлектриках, к окончательному разрыву с теорией дальнодействия, к замечательным исследованиям разряда в газах (открытие фарадеева темного пространства). Дальнейшее исследование взаимодействия и взаимопревращения сил привели его к открытию магнитного вращения плоскости поляризации света, к открытию диамагнетизма и парамагнетизма. Убежденность во всеобщности взаимопревращений заставила М. Фарадея даже обратиться к исследованию связи между магнетизмом и электричеством, с одной стороны, и силой тяжести, с другой. Правда, остроумные опыты Фарадея не дали положительного результата, но это не поколебало его уверенности в наличии связи между этими явлениями.

Биографы М. Фарадея любят подчеркивать тот факт, что М. Фарадей избегал пользоваться математикой, что на многих сотнях страниц его «Экспериментальных исследований по электричеству» нет ни одной математической формулы. В связи с этим уместно привести высказывание соотечественника М. Фарадея великого физика Джеймса Кларка Максвелла (1831–1879 гг.): «Приступив к изучению труда Фарадея, я установил, что его метод понимания явлений был также математическим, хотя и не представленным в форме обычных математических символов. Я также нашел, что этот метод можно выразить в обычной математической форме и, таким образом, сравнить с методами профессиональных математиков».

«Математичность» мышления Фарадея можно иллюстрировать его законами электролиза или, например, формулировкой закона электромагнитной индукции: количество приведенного в движение электричества прямо пропорционально числу пересеченных силовых линий. Достаточно представить себе последнюю формулировку в виде математических символов, и мы немедленно получаем формулу, из которой очень быстро следует знаменитое d?/dt, где? — магнитное потокосцепление.

Д.К. Максвелл, родившийся в год открытия явления электромагнитной индукции, очень скромно оценивал свои заслуги перед наукой, подчеркивая, что он лишь развил и облек в математическую форму идеи М. Фарадея. Максвеллову теорию электромагнитного поля по достоинству оценили ученые конца XIX и начала XX в., когда на почве идей Фарадея — Максвелла начала развиваться радиотехника.

Для характеристики прозорливости М. Фарадея, его умения проникать в глубь сложнейших физических явлений важно напомнить здесь, что еще в 1832 г. гениальный ученый рискнул предположить, что электромагнитные процессы носят волновой характер, причем магнитные колебания и электрическая индукция распространяются с конечной скоростью.

В конце 1938 г. в архивах Лондонского Королевского общества было обнаружено запечатанное письмо М. Фарадея, датированное 12 марта 1832 г. Оно пролежало в безвестности более 100 лет, а в нем были такие строки:

«Некоторые результаты исследований… привели меня к заключению, что на распространение магнитного воздействия требуется время, т.е. при воздействии одного магнита на другой отдаленный магнит или кусок железа влияющая причина (которую я позволю себе назвать магнетизмом) распространяется от магнитных тел постепенно и для своего распространения требует определенного времени, которое, очевидно, окажется весьма незначительным.

Я полагаю также, что электрическая индукция распространяется точно таким же образом. Я полагаю, что распространение магнитных сил от магнитного полюса похоже на колебания взволнованной водной поверхности или же на звуковые колебания частиц воздуха, т.е. я намерен приложить теорию колебаний к магнитным явлениям, как это сделано по отношению к звуку, и является наиболее вероятным объяснением световых явлений.

По аналогии я считаю возможным применить теорию колебаний к распространению электрической индукции. Эти воззрения я хочу проверить экспериментально, но так как мое время занято исполнением служебных обязанностей, что может вызвать продление опытов … я хочу, передавая это письмо на хранение Королевскому обществу, закрепить открытие за собой определенной датой…» .

Поскольку эти идеи М. Фарадея оставались неизвестными, нет никаких оснований отказывать великому его соотечественнику Д.К. Максвеллу в открытии этих же идей, которым он придал строгую физико-математическую форму и фундаментальное значение.

Из книги
Удивительная механика
автора

Гулиа Нурбей Владимирович

Открытие древнего гончара
Один из величественнейших городов Междуречья – древний Ур. Он громаден и многолик. Это почти целое государство. Сады, дворцы, мастерские, сложные гидротехнические сооружения, культовые постройки.В небольшой гончарной мастерской, с виду

Из книги
Правила устройства электроустановок в вопросах и ответах [Пособие для изучения и подготовки к проверке знаний]
автора

Красник Валентин Викторович

Обеспечение электромагнитной совместимости устройств связи и телемеханики
Вопрос. Как выполняются устройства связи и телемеханики?Ответ. Выполняются помехозащищенными со степенью, достаточной для обеспечения их надежной работы как в нормальных, так и аварийных

Из книги
Секретные автомобили Советской Армии
автора

Кочнев Евгений Дмитриевич

Семейство «Открытие»
(КрАЗ-6315/6316)
(1982 – 1991 гг.)
В феврале 1976 года вышло секретное Постановление Совмина и ЦК КПСС о разработке на основных советских автозаводах семейств принципиально новых тяжелых армейских грузовиков и автопоездов, выполненных по требованиям

Из книги
Шелест гранаты
автора

Прищепенко Александр Борисович

5. 19. За что любят постоянные магниты. Самодельный прибор для измерения индукции поля. Другой прибор, избавляющий от мучений с расчетом обмотки
Огромным преимуществом магнитов было то, что постоянное во времени поле не нуждалось в синхронизации со взрывными процессами и

Из книги
Новые источники энергии
автора

Фролов Александр Владимирович

Глава 17 Капиллярные явления
Отдельный класс устройств преобразования тепловой энергии среды образуют многочисленные капиллярные машины, производящие работу без затрат топлива. Подобных проектов в истории техники известно великое множество. Сложность в том, что те же

Из книги
Металл Века
автора

Николаев Григорий Ильич

Глава 1. ОТКРЫТИЕ ЭЛЕМЕНТА
ХОББИ СВЯЩЕННИКА
Семь металлов древности, а также сера и углерод — вот и все элементы, с которыми человечество познакомилось за многие тысячелетия своего существования вплоть до XIII века нашей эры. Восемь веков назад начался период алхимии. Он

Из книги
История электротехники
автора

Коллектив авторов

1. 3. ОТКРЫТИЕ НОВЫХ СВОЙСТВ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА
Одним из первых, кто, познакомившись с книгой В. Гильберта, решил получить более сильные проявления электрических сил, был известный изобретатель воздушного насоса и опыта с полушариями магдебургский бургомистр Отто фон Герике

Из книги
История выдающихся открытий и изобретений (электротехника, электроэнергетика, радиоэлектроника)
автора

Шнейберг Ян Абрамович

2.4. ОТКРЫТИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ И ЕЕ ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
Наибольший интерес из всех работ В.В. Петрова представляет открытие им в 1802 г. явления электрической дуги между двумя угольными электродами, соединенными с полюсами созданного им источника высокого

Из книги
автора

2.6. ОТКРЫТИЕ ЯВЛЕНИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСТВА И УСТАНОВЛЕНИЕ ЗАКОНОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ
Дальнейшее изучение явлений электричества и магнетизма привело к открытию новых фактов .В 1821 г. профессор Берлинского университета Томас Иоганн Зеебек (1770–1831 гг.), занимаясь

Из книги
автора

3. 5. ОТКРЫТИЕ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ И СОЗДАНИЕ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ
Начало современного этапа в развитии электротехники относится к 90-м годам XIX столетия, когда решение комплексной энергетической проблемы вызвало к жизни электропередачу и

Из книги
автора

ГЛАВА 5 Открытие электромагнетизма и создание разнообразных электрических машин, ознаменовавших начало электрификации
Открытие действия «электрического конфликта» на магнитную стрелкуВ июне 1820 г. в Копенгагене была издана на латинском языке небольшая брошюра

Электромагнитная индукция
— явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока , проходящего через него. Электромагнитная индукция была открыта Майклом Фарадеем 29 августа 1831 года . Он обнаружил, что электродвижущая сила (ЭДС), возникающая в замкнутом проводящем контуре, пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром. Величина электродвижущей силы не зависит от того, что является причиной изменения потока — изменение самого магнитного поля или движение контура (или его части) в магнитном поле. Электрический ток , вызванный этой ЭДС, называется индукционным током.

Энциклопедичный YouTube

  • 1
    /
    5

    Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея (в СИ):

    E
    =

    d
    Φ
    B
    d
    t
    {\displaystyle {\mathcal {E}}=-{{d\Phi _{B}} \over dt}}

    — электродвижущая сила , действующая вдоль произвольно выбранного контура,

    =

    S
    B


    d
    S

    ,
    {\displaystyle =\iint \limits _{S}{\vec {B}}\cdot d{\vec {S}},}
    — магнитный поток через поверхность, ограниченную этим контуром.

    Знак «минус» в формуле отражает правило Ленца
    , названное так по имени русского физика Э. Х. Ленца :

    Индукционный ток, возникающий в замкнутом проводящем контуре, имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле противодействует тому изменению магнитного потока, которым был вызван данный ток.

    Для катушки, находящейся в переменном магнитном поле, закон Фарадея можно записать следующим образом:

    E
    =

    N
    d
    Φ
    B
    d
    t
    =

    d
    Ψ
    d
    t
    {\displaystyle {\mathcal {E}}=-N{{d\Phi _{B}} \over dt}=-{{d\Psi } \over dt}}

    E
    {\displaystyle {\mathcal {E}}}
    — электродвижущая сила,

    N
    {\displaystyle N}

    — число витков,

    Φ
    B
    {\displaystyle \Phi _{B}}
    — магнитный поток через один виток,

    Ψ
    {\displaystyle \Psi }

    — потокосцепление катушки.

    Векторная форма

    В дифференциальной форме закон Фарадея можно записать в следующем виде:

    rot
    E

    =


    B


    t
    {\displaystyle \operatorname {rot} \,{\vec {E}}=-{\partial {\vec {B}} \over \partial t}}
    (в системе СИ)

    rot
    E

    =

    1
    c

    B


    t
    {\displaystyle \operatorname {rot} \,{\vec {E}}=-{1 \over c}{\partial {\vec {B}} \over \partial t}}
    (в системе СГС).

    В интегральной форме (эквивалентной):



    S

    E


    d
    l

    =



    t

    S
    B


    d
    s

    {\displaystyle \oint _{\partial S}{\vec {E}}\cdot {\vec {dl}}=-{\partial \over \partial t}\int _{S}{\vec {B}}\cdot {\vec {ds}}}
    (СИ)



    S

    E


    d
    l

    =

    1
    c


    t

    S
    B


    d
    s

    {\displaystyle \oint _{\partial S}{\vec {E}}\cdot {\vec {dl}}=-{1 \over c}{\partial \over \partial t}\int _{S}{\vec {B}}\cdot {\vec {ds}}}
    (СГС)

    Здесь
    E

    {\displaystyle {\vec {E}}}
    — напряжённость электрического поля ,
    B

    {\displaystyle {\vec {B}}}
    — магнитная индукция ,
    S
    {\displaystyle S\ }

    — произвольная поверхность, — её граница. Контур интегрирования

    S
    {\displaystyle \partial S}
    подразумевается фиксированным (неподвижным).

    Следует отметить, что закон Фарадея в такой форме, очевидно, описывает лишь ту часть ЭДС, что возникает при изменении магнитного потока через контур за счёт изменения со временем самого поля без изменения (движения) границ контура (об учете последнего см. ниже).


    Если же, скажем, магнитное поле постоянно, а магнитный поток изменяется вследствие движения границ контура (например, при увеличении его площади), то возникающая ЭДС порождается силами, удерживающими заряды на контуре (в проводнике) и силой Лоренца , порождаемой прямым действием магнитного поля на движущиеся (с контуром) заряды. При этом равенство
    E
    =

    d
    Φ
    /
    d
    t
    {\displaystyle {\mathcal {E}}=-{{d\Phi }/dt}}
    продолжает соблюдаться, но ЭДС в левой части теперь не сводится к


    E


    d
    l

    {\displaystyle \oint {\vec {E}}\cdot {\vec {dl}}}
    (которое в данном частном примере вообще равно нулю). В общем случае (когда и магнитное поле меняется со временем, и контур движется или меняет форму) последняя формула верна так же, но ЭДС в левой части в таком случае есть сумма обоих слагаемых, упомянутых выше (то есть порождается частично вихревым электрическим полем, а частично силой Лоренца и силой реакции движущегося проводника).


    Потенциальная форма

    При выражении магнитного поля через векторный потенциал закон Фарадея принимает вид:

    E

    =


    A


    t
    {\displaystyle {\vec {E}}=-{\partial {\vec {A}} \over \partial t}}
    (в случае отсутствия безвихревого поля, то есть тогда, когда электрическое поле порождается полностью только изменением магнитного, то есть электромагнитной индукцией).

    В общем случае, при учёте и безвихревого (например, электростатического) поля имеем:

    E

    =


    φ


    A


    t
    {\displaystyle {\vec {E}}=-\nabla \varphi -{\partial {\vec {A}} \over \partial t}}

    Подробнее

    Поскольку вектор магнитной индукции по определению выражается через векторный потенциал так:

    B

    =
    r
    o
    t
    A



    ×
    A

    ,
    {\displaystyle {\vec {B}}=rot\ {\vec {A}}\equiv \nabla \times {\vec {A}},}

    то можно подставить это выражение в

    r
    o
    t
    E



    ×
    E

    =


    B


    t
    ,
    {\displaystyle rot\ {\vec {E}}\equiv \nabla \times {\vec {E}}=-{\frac {\partial {\vec {B}}}{\partial t}},}


    ×
    E

    =


    (∇
    ×
    A
    →)

    t
    ,
    {\displaystyle \nabla \times {\vec {E}}=-{\frac {\partial (\nabla \times {\vec {A}})}{\partial t}},}

    и, поменяв местами дифференцирование по времени и пространственным координатам (ротор):


    ×
    E

    =


    ×

    A


    t
    .
    {\displaystyle \nabla \times {\vec {E}}=-\nabla \times {\frac {\partial {\vec {A}}}{\partial t}}.}

    Отсюда, поскольку

    ×
    E

    {\displaystyle \nabla \times {\vec {E}}}
    полностью определяется правой частью последнего уравнения, видно, что вихревая часть электрического поля (та часть, которая имеет ротор, в отличие от безвихревого поля

    φ
    {\displaystyle \nabla \varphi }
    ) — полностью определяется выражением



    A


    t
    .
    {\displaystyle -{\frac {\partial {\vec {A}}}{\partial t}}.}

    Т.е. в случае отсутствия безвихревой части можно записать

    E

    =


    A


    t
    ,
    {\displaystyle {\vec {E}}=-{\frac {\partial {\vec {A}}}{\partial t}},}

    а в общем случае

    E

    =


    φ

    d
    A

    d
    t
    .
    {\displaystyle {\vec {E}}=-\nabla \varphi -{\frac {d{\vec {A}}}{dt}}.}

    1831 года наступил триумф: он открыл явление электромагнитной индукции. Установка, на которой Фарадей сделал своё открытие, заключалась в том, что Фарадей изготовил кольцо из мягкого железа примерно 2 см шириной и 20 см диаметром и намотал много витков медной проволоки на каждой половине кольца. Цепь одной обмотки замыкала проволока, в её витках находилась магнитная стрелка, удаленная настолько, чтобы не сказывалось действие магнетизма, созданного в кольце. Через вторую обмотку пропускался ток от батареи гальванических элементов . При включении тока магнитная стрелка совершала несколько колебаний и успокаивалась; когда ток прерывали, стрелка снова колебалась. Выяснилось, что стрелка отклонялась в одну сторону при включении тока и в другую, когда ток прерывался. М. Фарадей установил, что «превращать магнетизм в электричество» можно и с помощью обыкновенного магнита.

    В это же время американский физик Джозеф Генри также успешно проводил опыты по индукции токов, но пока он собирался опубликовать результаты своих опытов, в печати появилось сообщение М. Фарадея об открытии им электромагнитной индукции.

    М. Фарадей стремился использовать открытое им явление, чтобы получить новый источник электричества.

Урок по физике «Электромагнитная индукция»


Просмотр содержимого документа

«Урок по физике «Электромагнитная индукция»»

Открытый урок по физике в 11 классе.

Обобщающий урок :

«Электромагнитная

индукция»

Разработала учитель физики Сокольчинской СОШ №3

Холмогорова А.А.

Предмет. Класс

Физика 11 класс

Тема урока

Обобщающий урок по теме : «Электромагнитная индукция»

Цели урока

Обучающие

1.Обобщить и систематизировать знания учащихся поданной теме.

2.Исследовать зависимость индукционного тока от магнитного потока.

Развивающие

Формировать логическое мышление, умение исследовать, анализировать, делать выводы.

Воспитательные

Воспитывать чувства колективизма,

Аккуратности, бережного отношения к компьютеру.

Вид используемых на уроке ИКТ

«Открытая физика» часть 2, позволяющая исследовать явление электромагнитной индукции с помощью интерактивных компьютерных моделей, проверка полученных знаний в форме компьютерного тестирования.

Организационная структура урока.

Этап урока

Деятельность учителя

Деятельность учащихся

1.Актуализация знаний

Формулирует вопросы, актуализирующие опорные знания по теме урока.

1.В чем заключается явление электромагнитной индукции? Кем и когда было открыто это явление?

2.По рисунку определите направление индукционного тока в проводнике

3.Сформулируйте за кон электромагнитной индукции.

4.Какую силу называют силой Лоренца? Как определить ее направление?

5.На рисунке изображен замкнутый проводник, движущийся в однородном магнитном поле. Определить направление индукционного тока.

6.В чем заключается явление самоиндукции?

7.В каких единицах выражается индуктивность?( После ответа можно рассказать историю почему писатель взял псевдоним О Генри)

8.Записать формулу для нахождения энергии магнитного поля тока.

Включаются в деловой ритм урока, отвечают на вопросы, делают записи.

Один ученик у доски, остальные в тетради определяют направление индукционного тока.

Записывают формулу, дают определение .

По правилу находят направление.

1 Гн

Исследовательская работа.

Учитель предлагает рассмотреть компьютерные модели. См. приложение.

Изучают компьютерную модель, используя диск «Открытая физика часть2». Делают выводы и отвечают на вопросы в приложении.

Контроль и самопроверка знаний.

Учитель предлагает проверить знания учащихся по данной теме с помощью теста из «Открытой физики часть 2» «Электромагнитная индукция»

Проверяют свои знания в форме компьютерного тестирования. Получают информацию о реальных результатах учения.

Рефлексия.

Учитель мобилизирует учащихся на оценку своей деятельности во время урока.

Осмысливают свою деятельность на уроке, проводят самооценку своих результатов. Отвечают на вопросы:

1. Понравился ли тебе урок?

2.Какие моменты урока считаешь наиболее интересными?

3.Какие трудности испытывал на уроке?

4.Замечания и предложения на будущее.

История псевдонима О Генри.

Когда будущий писатель учился в гимназии, преподаватель физики часто восклицал «О Генри , он открыл то то…». Учитель произносил эту фразу настолько часто, что она на всю жизнь в памяти писателя Уильяма Сидни Портера.

Приложение.

  1. Откройте в разделе электромагнитная индукция окно с изображением схемы движения проводника в однородном магнитном поле.

— Нажмите кнопку старт. Пронаблюдайте, как изменяется магнитный поток, за какое время прошло это изменение. Запишите формулу для вычисления ЭДС индукции. Вычисли ЭДС и сравни полученный результат с данным.

-На данном рисунке определи направление индукционного тока и запиши.

2. Открой окно модели опыт Фарадея1.

— Опускайте и поднимайте магнит сначала медленно затем быстро. Тоже самое проделайте с катушкой. В каком случае магнитный поток изменяется быстрее? Сделай вывод.

3. Открой окно модели опыт Фарадея2. Рассмотрите модель.

Как меняется ток при замыкании и размыкании первичной обмотки? Почему в индикаторной катушке наблюдается краткий импульс тока?

4. Открой тест из раздела «Электромагнитная индукция». Ответы на вопросы запиши в тетрадь, необходимые вычисления делай тоже в тетради. Обоснуй свои ответы.

5. Подведение итогов.

-ответь на следующие вопросы:

Рефлексия.

1. Понравился ли тебе урок?

2.Какие моменты урока считаешь наиболее интересными?

3.Какие трудности испытывал на уроке?

4.Замечания и предложения на будущее.

Конспект урока «Закон электромагнитной индукции. Правило Ленца». 11 класс.

Тема урока: «Закон электромагнитной индукции. Правило Ленца»

О, сколько нам открытий чудных,

Готовит просвещенье дух.

И опыт – сын ошибок трудных,

И гений – парадоксов друг.

А.С. Пушкин.

Цели урока:

Учебная: изучить закон электромагнитной индукции.

Развивающая: 1) формирование информационных компетенций;

2) развитие навыков самостоятельной работы с учебником;

3) совершенствование интеллектуальных способностей и

мыслительных умений учащихся.

Воспитательная: формирование коммуникативных качеств личностей.

Оборудование:

  1. Дидактические карточки с вопросами для каждой группы.

  2. Тестовые задания для каждой группы.

  3. Приборы для демонстрации: гальванометр, катушка, магнит.

Краткий конспект урока

Организационный момент

Задача: создание благоприятного психологического настроя.

Актуализация опорных знаний

Задача: повторить и углубить знания, необходимые для изучения нового материала.

Приём обучения – эвристическая беседа;

Формы организации познавательной деятельности (ФОПД) – фронтальная;

Метод обучения – репродуктивный.

Повторение основных понятий по теме «Электромагнитная индукция, правило Ленца, магнитный поток».

В 1821 году великий английский учёный записал в своём дневнике: «Превратить магнетизм в электричество». Через 10 лет это задача была и решена.

Как называлось открытое Фарадеем физическое явление?

Работать будем в группах по 2-3 человека, каждая из которых получает задание.

На обдумывание по 1-2 минуты, после чего представители групп отчитываются по повторению.

Задача: повторить основные понятия.

  • ФОПД – самостоятельная работа в группах.

  • Метод обучения – исследовательский, индуктивный

Карточка №1:

Когда и кем было открыто явление электромагнитной индукции?

В чем заключается явление электромагнитной индукции?

Карточка №2:

Опыт Фарадея: установка, демонстрация.

При каком условии в замкнутом проводнике возникает ток?

Карточка №3:

Правило Ленца.

Карточка №4:

Какая физическая величина характеризует магнитное поле в каждой точке пространства?

Какая физическая величина характеризует распределение магнитного поля по поверхности, ограниченной замкнутым контуром?

Формула, единица измерения.

Карточка № 5-6:

Определить направление индукционного тока в замкнутом контуре.

Отчёты групп.

Задачи:

  • развивать речевую культуру, умение обобщать материал, выделять главное.

  • воспитывать нравственные качества личности, связанные со взаимоотношениями в классном коллективе.

Метод обучения – индуктивный

Приём обучений – эвристическая беседа

  1. Изучение нового материала

Обобщить выводы, сделанные группами.

План:

  1. От чего зависит сила индукционного тока в замкнутом проводнике?

  2. Что называют ЭДС индукции?

  3. Формулировка закона электромагнитной индукции.

  4. Почему закон формулируется для ЭДС, а не для силы тока?

  5. Что означает знак ( — ) в законе?

  6. Как записать закон электромагнитной индукции, используя понятие производной?

Обобщённый план изучения явления:

  • Внешние признаки явления;

  • Условие его протекания;

  • Экспериментальное воспроизведение явления;

  • Механизм протекания явления;

  • Количественные характеристики явления;

  • Его объяснение на основе теорий;

  • Практическое применение явлений;

  • Влияние явления на человека и природу.

Для повторения и изучения явления электромагнитной индукции мы использовали метод научного познания. Его основы заложил в середине 16 века Галилео Галилей.

Схема метода:

  • накопление фактов;

  • построение теорий;

  • опытное доказательство гипотезы;

  • практическое применение теорий.

Метод научного познания позволяет объективно отражать действительность не только в физике, но и в других областях науки.

  1. Решение задач.

На ЕГЭ:

Графические задачи (часть А)

Расчетные задачи (часть В, С)

Задача: получить информацию о степени усвоения материала.

ФОПД – индивидуальная

Прием обучения – упражнения

Задача:

На рисунке 1-3 изображены замкнутые проводящие рамки, помещенные в магнитное поле, линии магнитной индукции которого направлены к нам, перпендикулярно плоскости чертежа. Возникает ли индукционный ток в рамке?

2)

3)

1)

  1. Рефлексия:

Я научился …

Я узнал …

Я понял …

  1. Домашнее задание (дифференцированно):

1.Сборник задач Г.Н. Степановой № 1128, 1129

Учебник по физике 11 класс (Мякишев Г.Я.) §11.

2.Либо составить 2 задачи, аналогичные частям А и Б, либо найти в пособиях, решить и объяснить.

Что такое электромагнитная индукция? — Определение с сайта WhatIs.com

К

Электромагнитная индукция — это создание электродвижущей силы (ЭДС) посредством движущегося магнитного поля вокруг электрического проводника и, наоборот, создание тока путем перемещения электрического проводника через статическое магнитное поле. Электромагнитные помехи (EMI) также известны как электрический ток и электромагнитная индукция и могут также называться магнитной индукцией, поскольку принцип остается неизменным независимо от того, осуществляется ли процесс с помощью электромагнита или статического магнита.

Электромагнитная индукция была открыта Майклом Фарадеем в 1831 году и независимо и почти одновременно Джозефом Генри в 1832 году. Фарадей открыл электромагнитную индукцию и продемонстрировал ее с помощью медной катушки вокруг тороидального куска железа, гальванометра (прибор на основе датчика для показать ток) и магнит. Когда магнит перемещается к катушке, создается ЭДС, перемещающая датчик на гальванометре. Если приближается северный конец магнита, ток течет в одном направлении; если юг приближается, то ток течет в обратном направлении.

Открытие электромагнитной индукции было фундаментальным принципом в понимании и использовании электричества. Джеймс Клерк Максвелл сформулировал математическое описание как Закон индукции Фарадея , позже известный как уравнение Максвелла-Фарадея .

Принцип электромагнитной индукции используется в электронных компонентах, таких как индукторы и трансформаторы. Электромагнитная индукция лежит в основе всех типов электрических генераторов и двигателей, используемых для выработки электричества из движения и движения из электричества.

Последнее обновление было выполнено в августе 2018 г.


Продолжить чтение об электромагнитной индукции

Законы электромагнитной индукции Фарадея: первый и второй закон

Что такое закон Фарадея

Закон электромагнитной индукции Фарадея (известный как закон Фарадея ) — это основной закон электромагнетизма, предсказывающий, как магнитное поле будет взаимодействовать с электрическая цепь для создания электродвижущей силы (ЭДС).Это явление известно как электромагнитная индукция.

Закон Фарадея гласит, что в проводнике, который подвергается воздействию изменяющегося магнитного поля, индуцируется ток. Закон электромагнитной индукции Ленца гласит, что направление этого индуцированного тока будет таким, что магнитное поле, создаваемое индуцированным током , противостоит начальному изменяющемуся магнитному полю, создавшему его. Направление этого тока можно определить с помощью правила правой руки Флеминга.

Закон индукции Фарадея объясняет принцип работы трансформаторов, двигателей, генераторов и индукторов. Закон назван в честь Майкла Фарадея, который провел эксперимент с магнитом и катушкой. Во время эксперимента Фарадей обнаружил, как в катушке индуцируется ЭДС при изменении потока, проходящего через катушку.

Эксперимент Фарадея

В этом эксперименте Фарадей берет магнит и катушку и подключает гальванометр через катушку. При запуске магнит находится в состоянии покоя, поэтому гальванометр i не прогибается.e стрелка гальванометра находится в центральном или нулевом положении. Когда магнит перемещается к катушке, стрелка гальванометра отклоняется в одном направлении.

Когда магнит удерживается в этом положении, стрелка гальванометра возвращается в нулевое положение. Теперь, когда магнит удаляется от катушки, происходит некоторое отклонение стрелки, но в противоположном направлении, и снова, когда магнит становится неподвижным в этой точке относительно катушки, стрелка гальванометра возвращается в нулевое положение. Точно так же, если магнит удерживается неподвижным, а катушка движется в сторону магнита, гальванометр аналогичным образом показывает отклонение. Также видно, что чем быстрее изменяется магнитное поле, тем больше будет наведенная ЭДС или напряжение в катушке.

Положение магнита Отклонение гальванометра
Магнит в состоянии покоя Отсутствие отклонения гальванометра
Магнит движется к катушке Отклонение гальванометра в одном направлении
Магнит удерживается неподвижно в том же положении (рядом с катушкой) Нет отклонения в гальванометре
Магнит перемещается от катушки Отклонение в гальванометре, но в противоположном направлении
Магнит удерживается в неподвижном состоянии в том же положении ( от катушки) В гальванометре нет отклонения

Вывод: из этого эксперимента Фарадей пришел к выводу, что всякий раз, когда происходит относительное движение между проводником и магнитным полем, магнитная связь с катушкой изменяется, и это изменение в потоке индуцирует напряжение на катушке.

Майкл Фарадей сформулировал два закона на основе описанных выше экспериментов. Эти законы называются законами электромагнитной индукции Фарадея .

Первый закон Фарадея

Любое изменение магнитного поля катушки с проволокой вызовет индукцию ЭДС в катушке. Эта индуцированная ЭДС называется индуцированной ЭДС, и если цепь проводника замкнута, ток также будет циркулировать по цепи, и этот ток называется индуцированным током.
Метод изменения магнитного поля:

  1. Путем перемещения магнита по направлению к катушке или от нее
  2. Путем перемещения катушки внутрь или из магнитного поля
  3. Путем изменения площади катушки, помещенной в магнитное поле
  4. При вращении катушки относительно магнита

Второй закон Фарадея

Он утверждает, что величина ЭДС, индуцированная в катушке, равна скорости изменения магнитного потока, который связывается с катушкой.Магнитная связь катушки — это произведение количества витков в катушке и магнитного потока, связанного с катушкой.

Формула закона Фарадея

Рассмотрим, магнит приближается к катушке. Здесь мы рассматриваем два момента времени T 1 и время T 2 .

Потоковая связь с катушкой в ​​момент времени,

Потоковая связь с катушкой во время,

Изменение магнитной связи,

Пусть это изменение в потокосцеплении будет,

Итак, изменение магнитной связи

Теперь скорость изменения магнитной связи

Возьмите производную в правой части, мы получим

Скорость изменения магнитной связи

Но согласно закону электромагнитной индукции Фарадея скорость изменения магнитной связи равна наведенной ЭДС .

С учетом закона Ленца.

Где:

  • Поток Φ в Wb = BA
  • B = напряженность магнитного поля
  • A = площадь катушки

Как увеличить ЭДС, индуцированную в катушке

  • Путем увеличения количества витков в катушке катушка, то есть N, из приведенных выше формул легко увидеть, что если количество витков в катушке увеличивается, наведенная ЭДС также увеличивается.
  • Путем увеличения напряженности магнитного поля, то есть B, окружающего катушку. Математически, если магнитное поле увеличивается, увеличивается поток, а при увеличении потока индуцированная ЭДС также увеличивается.Теоретически, если катушка проходит через более сильное магнитное поле, будет больше силовых линий, которые катушка может разрезать, и, следовательно, будет больше индуцированной ЭДС.
  • За счет увеличения скорости относительного движения между катушкой и магнитом — Если относительная скорость между катушкой и магнитом увеличивается по сравнению с ее предыдущим значением, катушка будет обрезать линии потока с большей скоростью, поэтому больше наведенной ЭДС будет произведено.

Применение закона Фарадея

Закон Фарадея — один из самых основных и важных законов электромагнетизма.Этот закон находит свое применение в большинстве электрических машин, промышленности, медицины и т. Д.

  • Силовые трансформаторы работают на основе закона Фарадея
  • Основным принципом работы электрического генератора является закон взаимной индукции Фарадея.
  • Индукционная плита — самый быстрый способ готовить. Он также работает по принципу взаимной индукции. Когда ток течет через катушку из медной проволоки, расположенную под посудой, он создает изменяющееся магнитное поле.Это переменное или изменяющееся магнитное поле индуцирует ЭДС и, следовательно, ток в проводящем контейнере, и мы знаем, что поток тока всегда выделяет в нем тепло.
  • Электромагнитный расходомер

  • используется для измерения скорости определенных жидкостей. Когда магнитное поле прикладывается к электрически изолированной трубе, по которой протекают проводящие жидкости, то в соответствии с законом Фарадея в ней индуцируется электродвижущая сила. Эта наведенная ЭДС пропорциональна скорости течения жидкости.
  • Формирует основы электромагнитной теории, идея Фарадея о силовых линиях используется в хорошо известных уравнениях Максвелла. Согласно закону Фарадея, изменение магнитного поля вызывает изменение электрического поля, и обратное этому используется в уравнениях Максвелла.
  • Он также используется в музыкальных инструментах, таких как электрогитара, электрическая скрипка и т. Д.

Закон Фарадея

Закон Фарадея

Следующая: Закон Ленца
Up: Магнитная индукция
Предыдущий: Магнитная индукция

Явление магнитной индукции играет решающую роль в
три очень полезных электрических устройства: электрогенератор , электрогенератор
двигатель
и трансформатор .Без этих устройств современная жизнь была бы
невозможно в нынешнем виде. Магнитная индукция была открыта в 1830 г.
Английский физик Майкл Фарадей. Американский физик Джозеф Генри
независимо сделал то же открытие примерно в одно и то же время. Обе
физиков заинтриговал тот факт, что электрический ток, протекающий вокруг
цепь может генерировать магнитное поле. Конечно, рассуждали они, если электрический
ток может генерировать магнитное поле, тогда магнитное поле должно каким-то образом быть способным
генерировать электрический ток.Однако потребовалось много лет бесплодных экспериментов.
прежде, чем они смогли найти необходимый ингредиент, который позволяет
магнитное поле для генерации электрического тока. Этот
ингредиент изменение во времени .

Рассмотрим плоскую петлю из токопроводящего провода соответствующей площади поперечного сечения.
Поместим эту петлю в магнитное поле, напряженность которого приблизительно равна
равномерное по длине петли. Предположим, что направление
магнитное поле образует угол с нормальным направлением к
петля.Магнитный поток через петлю равен
определяется как произведение площади петли и составляющей
магнитное поле, перпендикулярное петле. Таким образом,

(191)



Если цикл оборачивается вокруг себя раз (, т.е. , если цикл
имеет витков ) то магнитный поток через петлю просто
умножить на магнитный поток за один виток:

(192)



Наконец, если магнитное поле неоднородно по петле или петля не
лежать в одной плоскости,
тогда мы должны оценить
магнитный поток как поверхностный интеграл

(193)



Вот какая-то поверхность, к которой прикреплена.Если петля имеет витки, то поток в несколько раз превышает указанное выше значение.
Единица измерения магнитного потока в системе СИ — вебер (Вб). Одна тесла эквивалентна
один вебер на квадратный метр:

(194)


Фарадей обнаружил, что если магнитное поле проходит через петлю из проволоки
изменяется во времени. , тогда вокруг петли наводится ЭДС.
Фарадей смог наблюдать этот эффект, потому что ЭДС вызывает
ток, циркулирующий в петле.Фарадей обнаружил, что величина
ЭДС прямо пропорциональна скорости изменения магнитного поля во времени.
Он также обнаружил, что ЭДС генерируется, когда петля провода перемещается на .
из области низкой напряженности магнитного поля в область высокой напряженности магнитного поля, и наоборот . ЭДС прямо пропорциональна
скорость, с которой петля перемещается между двумя областями. Ну наконец то,
Фарадей обнаружил, что ЭДС генерируется вокруг петли, которая вращает
в однородном магнитном поле постоянной напряженности.В этом случае ЭДС
прямо пропорциональна скорости вращения петли.
Фарадей в конце концов
может предложить единый
закон, который мог объяснить все его многочисленные и разнообразные наблюдения. Этот закон, известный как
Закон магнитной индукции Фарадея выглядит следующим образом:

ЭДС, наведенная в цепи, пропорциональна скорости изменения во времени
магнитный поток, связывающий эту цепь.


Единицы СИ были зафиксированы таким образом, чтобы коэффициент пропорциональности в этом
закон единицы .Таким образом, если магнитный поток через цепь изменяется
на сумму во временном интервале
то генерируемая в цепи ЭДС равна

(195)


Есть много разных способов, которыми магнитный поток, связывающий
электрическая цепь может
изменять. Может изменяться либо напряженность магнитного поля, либо направление магнитного поля.
поле может измениться, или положение цепи может измениться, или форма
цепь может измениться, или ориентация цепи может измениться.Закон Фарадея гласит, что все эти способы
полностью эквивалент в части генерации ЭДС вокруг
цепь касается.


Следующая: Закон Ленца
Up: Магнитная индукция
Предыдущий: Магнитная индукция

Ричард Фицпатрик
2007-07-14

Электромагнитная индукция | Магнетизм и электромагнетизм

В то время как удивительное открытие электромагнетизма Эрстедом проложило путь для более практических применений электричества, именно Майкл Фарадей дал нам ключ к практическому поколения электричества: электромагнитной индукции .Фарадей обнаружил, что напряжение будет генерироваться на отрезке провода, если на этот провод воздействовать перпендикулярным потоком магнитного поля изменяющейся интенсивности.

Простой способ создать магнитное поле изменяющейся интенсивности — переместить постоянный магнит рядом с проволокой или катушкой с проволокой.

Помните: Магнитное поле должно увеличиваться или уменьшаться по напряженности перпендикулярно проводу (так, чтобы силовые линии «пересекали» провод ), иначе не будет индуцироваться напряжение.

Фарадей смог математически связать скорость изменения потока магнитного поля с индуцированным напряжением (обратите внимание на использование строчной буквы «е» для обозначения напряжения. Это относится к мгновенному напряжению или напряжению в определенной точке в время, а не постоянное стабильное напряжение.):

Термин «d» — это стандартная нотация расчетов, представляющая скорость изменения потока во времени. «N» обозначает количество витков или витков в катушке с проводом (при условии, что провод сформирован в форме катушки для максимальной электромагнитной эффективности).

Это явление используется в конструкции электрических генераторов, которые используют механическую энергию для перемещения магнитного поля мимо катушек с проволокой для генерации напряжения. Однако это далеко не единственное практическое применение этого принципа.

Если мы вспомним, что магнитное поле, создаваемое токоведущим проводом, всегда перпендикулярно этому проводу, и что сила потока этого магнитного поля изменяется в зависимости от величины проходящего через него тока, мы можем видеть, что провод способен индуцировать напряжение на его собственной длине просто за счет изменения тока через него.Этот эффект называется самоиндукцией : изменяющееся магнитное поле, создаваемое изменениями тока через провод, индуцирующее напряжение по длине того же провода. Если поток магнитного поля усиливается за счет изгибания проволоки в форме катушки и / или наматывания этой катушки на материал с высокой проницаемостью, этот эффект самоиндуцированного напряжения будет более интенсивным. Устройство, созданное для использования этого эффекта, называется катушкой индуктивности , и будет обсуждаться более подробно в следующей главе.

ОБЗОР:

  • Магнитное поле изменяющейся интенсивности перпендикулярно проводу будет индуцировать напряжение по всей длине этого провода. Величина индуцированного напряжения зависит от скорости изменения потока магнитного поля и количества витков провода (если он намотан), подверженных изменению магнитного потока.
  • Уравнение Фарадея для индуцированного напряжения: e = N (dΦ / dt)
  • Провод с током будет испытывать наведенное напряжение по всей его длине, если ток изменится (таким образом, изменится поток магнитного поля, перпендикулярный проводу, и возникнет напряжение в соответствии с формулой Фарадея).Устройство, созданное специально для использования этого эффекта, называется индуктором .

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:

Учебное пособие по электромагнитной индукции

— страница Фарадея

Электромагнитная индукция

Открытие Фарадея

Майкл Фарадей был одним из самых выдающихся
физики-прагматики у нас когда-либо были. Он был джентльменом-самоучкой, любившим
держаться в тени, несмотря на великолепную услугу, которую он оказал человечеству с неутомимой
работай.

Он никогда не стремился к славе или деньгам и двигался к работе исключительно на энтузиазме.
и ясное видение.

Открытие электричества электромагнитным
индукция была его величайшим достижением. Хотя это было случайное открытие, он
долгое время работал над проектом — шанс благоприятствовал
подготовленный ум, как однажды сказала Луиза Пастер.

Фарадей заметил, что изменение магнитного поля
— поток — вокруг замкнутого контура приводил к созданию электрического тока в
последнее, почти неожиданно.Он также заметил, что простое присутствие
магнитное поле не вызывает такого события. Итак, Фарадей открыл новую
явление и было названо электромагнитным
Индукция.

При изменении магнитного поля в
цепи, в цепи индуцируется напряжение / ток. Это называется
электромагнитная индукция.

На следующей анимации показано
что:

Как видите, устройство показывает
ток только до тех пор, пока магнит находится в движении; когда магнит статичен,
его чтение равно нулю.Однако вокруг катушки есть магнитное поле. Итак
наличие или отсутствие магнитного поля вокруг катушки, не вызывает
электрический ток.

С другой стороны, когда катушка
движется, вокруг катушки возникает изменяющееся магнитное поле; так электромагнитный
происходит индукция, и гальванометр показывает ее присутствие в
схема.

Теперь мы можем сделать вывод, что
Электромагнитная индукция вызвана изменением магнитного поля в
схема.

Законы электромагнитной индукции

Закон Фарадея

Величина наведенного электрического напряжения прямо пропорциональна
скорость изменения магнитного потока в контуре.

На следующей анимации переместите магнит в катушку и от нее, чтобы увидеть закон Фарадея в действии.

Если φ — магнитный поток, то согласно закону Фарадея
E = -dφ / dt

Нажмите кнопку воспроизведения, чтобы анимировать: оливковая линия — это магнитный поток; красная линия представляет наведенную ЭДС.

Закон Ленца

Индуцированный электрический ток проходит таким образом, что производит
магнитный поток в направлении, противоположном тому, который вызвал в
первое место.

Например,

В определенной области есть горизонтальное магнитное поле с магнитной индукцией B. Стержень длиной l падает вертикально вниз в этой области, оставаясь горизонтальным с постоянной скоростью v.Найдите выражение для индуцированной ЭДС.
Обсудите направление индуцированного тока, используя закон Ленца.

Если длина уменьшается за время t,
Пройденное расстояние = vt
Застроенная площадь =
лв.
Магнитный поток, прошедший через = Blvt
Скорость изменения магнитного потока = Blvt / t = Blv
Согласно закону Фарадея, это индуцированная ЭДС.
E = Blv
Согласно закону Ленца, индуцированный ток течет таким образом, что магнитное поле действует на него вверх.Таким образом, работа по преодолению этой силы превращается в электрическую энергию, которая сохраняет
индуцированный ток течет. Итак, электромагнитная индукция совместима с сохранением энергии, хотя, похоже, все обстоит иначе.

Хотите поэкспериментировать с генераторами и моторами? Тогда вы имели в виду электромагнитную индукцию и моторный эффект. Это ответ:

Пожалуйста, ответьте на следующие вопросы.

  1. Магнит перемещается перед соленоидом взад и вперед.Объясните, как электрическая энергия протекает через соленоид, несмотря на то, что они не контактируют друг с другом, используя законы электромагнитной индукции.
  2. Вам предоставляются два соленоида, амперметр, аккумулятор и выключатель. Разработайте эксперимент, чтобы показать электромагнитную индукцию в одном соленоиде, используя другой.
  3. Обсудите способы увеличения силы индуцированной электромагнитной индукции.
  4. Как электромагнитная индукция играет ключевую роль в трансформаторах.Почему они не работают на DC?
  5. Стержень длиной l вращается со скоростью v вокруг одного из своих концов через магнитное поле с плотностью потока B. Найдите выражение для наведенной ЭДС

Что такое электромагнитная индукция? | Superprof

Наука об электромагнетизме — одна из самых важных областей, о которых мы знаем. Для практических приложений в промышленности и для наших знаний о физической структуре Вселенной электромагнетизм является центральным.

Возможно, вы никогда бы не осознали, но без электромагнетизма мы не смогли бы транспортировать или производить электричество. Этого просто не могло бы случиться. Мы не сможем обеспечить огромных объемов электроэнергии , в которых мы нуждаемся, по всей стране и в каждый из наших домов. Подумайте об этом, когда включаете свет, кипятите чайник или смотрите телевизор.

Между тем, между прочим, электромагнетизм — это любопытное совпадение электричества и магнетизма — формирует связи Вселенной.Вот почему мы не можем на самом деле сказать, что кто-то «изобрел» электромагнетизм: он был скорее открыт — а затем вычислен как сила, которая удерживает вместе различные части атома . Он отвечает за химические соединения, а также за силу, производящую свет.

Таким образом, электромагнетизм присутствует везде. Но здесь мы собираемся взглянуть на конкретное явление, известное как электромагнитная индукция — , производство электродвижущей силы посредством присутствия изменяющегося магнитного поля .

Не волнуйтесь, если это непонятно, потому что мы сделаем обзор всех научных данных, которые вам нужно знать, чтобы понять этот действительно удивительный процесс.

Здесь можно найти репетитора по физике и математике s1.

Что такое электромагнетизм?

Начнем с электромагнетизма. Что это было снова?

Начнем с магнетизма

Ну, мы знаем, что такое магнетизм, верно? Некоторые материалы являются магнитными, то есть обладают магнитной силой, а другие — нет.В этих магнитных материалах — а мы называем те, которые остаются магнитными даже вне внешнего магнитного поля, постоянные магниты или ферромагнитные материалы все неспаренные электроны выровнены, что означает, что они оказывают силу в определенном направлении.

В немагнитных материалах этого не происходит — электроны либо все спарены , либо полностью случайны.

Эти ферромагнитные материалы, такие как железо или никель, либо магнитны случайным образом, либо потому, что они находились в контакте с магнитным полем .И хотя эти штуки крутые сами по себе, они бесполезны в качестве электромагнитов — их можно включать и выключать и , которые намного мощнее.

А мощные магниты на многое могут.

А электромагнетизм?

Электромагнит — это магнит, питаемый электрическим током.

Электричество само по себе обладает магнитной силой. И хотя это присутствует даже в простом медном проводе — и, как мы уже сказали, во всех крошечных измерениях электрического заряда через каждый атом и химическую связь — ученые нашли способы сделать эту силу намного сильнее.

Как правило, в электромагнитах используются катушки с проволокой, каждая из которых намотана на кусок металла — обычно железа. Эта штука называется соленоидом. Когда через этот провод протекает электрический ток, создаваемое магнитное поле центрируется на магнитопроводе , куске металла в центре соленоида. Эти электромагниты очень сильные — и как только вы выключаете электричество, соленоид перестает намагничиваться.

Итак, да, на самом деле электромагнит — это действительно очень сильный магнит.Однако именно эта комбинация электричества и магнетизма невероятно полезна. И одно из его наиболее важных применений — это электромагнитная индукция — создание электродвижущей силы (ЭДС или индуцированного напряжения) за счет движения магнитного поля.

Эти магниты вырабатывают электричество. Вы понимаете, почему они могут быть полезны сейчас?

Ознакомьтесь с нашим руководством по магнетизму и электромагнетизму!

Схема магнитного поля

Краткая история электромагнитной индукции.

Чтобы лучше всего объяснить процесс и важность электромагнитной индукции, давайте кратко проследим ее историю. Вернемся к самым первым экспериментам, которые выявили это — еще в 1830-х годах.

К этому моменту у нас уже был подковообразный электромагнит , благодаря изобретению Уильяма Стерджена — и мы уже знали, что электрические токи обладают собственной магнитной силой, благодаря открытиям Ампера и Эрстеда.

Однако именно человек по имени Майкл Фарадей открыл принципы электромагнитной индукции, когда он провел небольшой эксперимент, опубликованный в 1831 году.

Майкл Фарадей.

Майкл Фарадей фактически стал одним из самых влиятельных ученых в истории — например, его работа по магнетизму показывает, как эта сила может влиять на лучи света. Однако в году его самый влиятельный эксперимент был тем, что обнаружил электромагнитную индукцию.

Фарадей взял железное кольцо и двумя разными кусками проволоки намотал на него катушки с противоположных сторон. Пропуская электрический ток через один из отрезков провода, он ожидал увидеть какой-то электрический заряд или какой-то эффект на втором отрезке провода.

Поэтому он подключил этот второй кусок провода к гальванометру, машине, измеряющей электрические заряды. И, о чудо, при включении и выключении батареи по первому проводу гальванометр показал электрический заряд. Это, как предположил Фарадей, произошло из-за магнитного потока, проходящего через центр кольца .

Чтобы прояснить это, при изменении магнитного поля был только электрический ток. Так вот, только в моменты, когда он включил батарею и когда он выключил батарею, он увидел изменение на гальванометре. В остальное время гальванометр ничего не показывал.

Вот почему в другом его эксперименте он вставлял стержневой магнит в катушку с проволокой и вынимал из нее. Здесь такой же электрический заряд был виден на гальванометре с механизмом.

Закон Фарадея и уравнения Максвелла.

Пока Фарадей выполнял практическую работу, его результаты не были встречены с большим энтузиазмом, поскольку он не представлял свои открытия в математических терминах.

Джеймс Клерк Максвелл тридцать лет спустя описал то, что Фарадей показал математически. Уравнения Максвелла стали названием этих законов, которые описывают, что происходит при электромагнитной индукции.

Как работает электромагнитная индукция?

Итак, что именно открыл Фарадей? Проще говоря, важность этого открытия заключалась в том, что изменения магнитных полей могут индуцировать электрические токи.

Как известно, электрические токи обладают магнитным полем.Это и есть соленоиды. Но, как это сделал Фарадей, , если вы взаимодействуете с этим магнитным полем с другим магнитом, потенциал или напряжение электрического тока изменится .

Если бы вы перемещали такой магнит внутрь и из катушки, вы бы почувствовали изрядное сопротивление. Но с этим сопротивлением создается электрический ток. Ускорьте движение магнита, и наведенный ток увеличится; усилить магнитное поле, и произойдет то же самое.

Таким образом, магниты можно использовать для преобразования кинетической энергии в электрическую — как при перемещении магнита течет ток. Именно так работают генераторы: они вырабатывают электричество за счет движения магнита в магнитном поле.

Может быть, теперь вы понимаете, почему это было такое невероятно важное открытие.

Электромагниты создают сильное магнитное поле.

Как мы используем электромагнитную индукцию?

Чтобы подробнее прояснить это явление, давайте взглянем на одну из основных технологий, в которой он применяется. Это электрический генератор, , инструмент, который очень распространен. От электростанций — на которых топливо сжигается, скажем, для питания магнитного поля — до автомобилей и крохотных двигателей во всевозможном оборудовании — эти вещи есть везде.

Электрогенераторы.

Электрические генераторы работают, создавая магнитное поле, в котором перемещаются другие намагниченные катушки.

В автомобилях, например, используется генератор переменного тока или генератор переменного тока, чтобы аккумулятор оставался заряженным. При переменном токе индуцированный ток движется в чередующихся направлениях — отсюда и название.

Представьте себе магнитное поле в замкнутом пространстве. В центре этого пространства находится вращающаяся катушка с проволокой, через которую проходит ток. Как вы понимаете, между катушкой провода (с ее собственным магнитным полем) и общим магнитным полем в генераторе будет взаимодействие и сопротивление.

Когда одна сторона вращающейся катушки движется вверх, индуцируется положительный ток. Когда он движется вниз, происходит обратное. Следовательно, вы получаете ток, который постоянно меняется.

В генераторе постоянного тока (постоянного тока) есть механизм, который означает, что движения магнитного поля меняются на противоположные, поэтому нет чередования.

Зачем нужен переменный ток?

Переменный ток гораздо чаще встречается в крупных электрических устройствах. Это потому, что намного легче транспортировать, чем DC : вы можете повысить напряжение при небольшом токе.

Но, учитывая такое высокое напряжение, вам понадобятся трансформаторы, чтобы этот ток можно было использовать. А все о трансформаторах вы можете узнать в нашей статье здесь.

AC / DC? Не совсем то, о чем мы здесь говорим, нет.

Электромагнитная индукция и закон Фарадея

Электромагнитная индукция (также известный как закон электромагнитной индукции Фарадея или просто индукция , но не путать с индуктивными рассуждениями) — это процесс, при котором проводник помещается в изменяющееся магнитное поле (или проводник движется через стационарное магнитное поле) вызывает образование напряжения на проводнике.Этот процесс электромагнитной индукции, в свою очередь, вызывает электрический ток — говорят, что индуцирует тока.

Открытие электромагнитной индукции

Майклу Фарадею приписывают открытие электромагнитной индукции в 1831 году, хотя некоторые другие отмечали подобное поведение в годы до этого. Формальное название физического уравнения, которое определяет поведение индуцированного электромагнитного поля от магнитного потока (изменение магнитного поля), — это закон электромагнитной индукции Фарадея.

Процесс электромагнитной индукции также работает в обратном направлении, так что движущийся электрический заряд генерирует магнитное поле. Фактически, традиционный магнит — это результат индивидуального движения электронов внутри отдельных атомов магнита, выровненного таким образом, что генерируемое магнитное поле имеет однородное направление. В немагнитных материалах электроны движутся таким образом, что отдельные магнитные поля указывают в разных направлениях, поэтому они компенсируют друг друга, и создаваемое суммарное магнитное поле незначительно.

Уравнение Максвелла-Фарадея

Более обобщенное уравнение — это одно из уравнений Максвелла, называемое уравнением Максвелла-Фарадея, которое определяет взаимосвязь между изменениями в электрических и магнитных полях. Он принимает форму:

∇ × E = — B / ∂t

где обозначение ∇ × известно как операция скручивания, E — электрическое поле (векторная величина), а B — магнитное поле (также векторная величина).Символы ∂ представляют собой частные дифференциалы, поэтому правая часть уравнения — это отрицательный частный дифференциал магнитного поля по времени. И E , и B изменяются во времени t , и, поскольку они перемещаются, положение полей также изменяется.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *