План–конспект урока по физике «Самоиндукция. Индуктивность. Энергия магнитного поля тока» (8 класс)
Тема урока: Самоиндукция. Индуктивность. Энергия магнитного поля.
Цель : Формирование понятия явления самоиндукции, его проявлении в цепях электрического тока. Применение самоиндукции в электротехнических устройствах.
Задачи:
Образовательные: Повторить знание учащихся о явление электромагнитной индукции, углубить их; на этой основе изучить явление самоиндукции.
Воспитательные: Воспитать интерес к предмету, трудолюбие и умение внимательно оценивать ответы товарищей. Показать значение причинно- следственных связей в познаваемости явлений.
Развивающие: Развитие физического мышления учащихся, расширение понятийного аппарата учащихся, формирование умений анализировать информацию, делать выводы из наблюдений и опытов.
Тип урока: урок изучения нового материала.
Оборудование: Катушка индуктивности с сердечником – демонстрационная, источник питания, ключ, две лампочки на 3,5 В, реостат на 100 Ом, неоновая лампочка на 200В.
Опыты: 1) опыт по наблюдению явления самоиндукции при замыкании цепи; 2) опыт по наблюдению явления самоиндукции при размыкании цепи;
План урока:
Организационный момент.
Актуализация опорных знаний.
Мотивация.
Изучение нового материала.
Закрепление.
Домашнее задание.
Ход урока
Организационный момент. (1 мин)
Актуализация опорных знаний.
Что называют явлением электромагнитной индукции?
Какая гипотеза Фарадея привела к открытию электромагнитной индукции?
Как Фарадей открыл явление электромагнитной индукции?
При каких условиях возникает индукционный ток в катушке?
Отчего зависит направление индукционного тока?
Чем объясняется отталкивание алюминиевого кольца при введение в него магнита и притяжение к магниту при его удалении из кольца?
Почему разрезанное алюминиевое кольцо не взаимодействует с движущимся магнитом?
Сформулируйте правило Ленца.
Как с помощью правила Ленца определить направление индукционного тока в проводнике?
3 . Мотивация.
Основы электродинамики были заложены Ампером в 1820 году. Работы Ампера вдохновили многих инженеров на конструирование различных технических устройств, таких как электродвигатель (конструктор Б.С. Якоби), телеграф (С. Морзе), электромагнит, конструированием которого занимался известный американский ученый Генри. Создавая различные электромагниты, в 1832 году ученый открыл новое явление в электромагнетизме – явление самоиндукции. Об этом мы будем говорить на этом уроке.
4.Изучение нового материала .
Рассмотрим частный случай электромагнитной индукции: возникновение индукционного тока в катушке при изменении силы тока в ней.
Для этого проведём опыт, изображённый на рисунке. Замкнём цепь ключом Кл. Лампа Л1 загорится сразу, а Л2 - с опозданием приблизительно в 1 с. Причина запаздывания заключается в следующем. Согласно явлению электромагнитной индукции, в реостате и в катушке возникают индукционные токи. Они препятствуют увеличению силы тока I 1 и I 2 (это следует из правила Ленца и правила правой руки). Но в катушке К индукционный ток будет значительно больше, чем в реостате Р, так как катушка имеет гораздо большее число витков и сердечник, т. е. обладает большей индуктивностью, чем реостат.
В проделанном опыте мы наблюдаем явление самоиндукции.
Явление самоиндукции заключается в возникновении индукционного тока в катушке при изменении силы тока в ней. При этом возникающий индукционный ток называется током самоиндукции. Это явление было открыто Джозефом Генри, практически одновременно с открытием явлением электромагнитной индукции Фарадеем.
Самоиндукция при размыкании электрической цепи и энергия магнитного поля. Появление мощного индукционного тока при размыкании цепи свидетельствует о том, что магнитное поле тока в катушке обладает энергией. Именно за счёт уменьшения энергии магнитного поля совершается работа по созданию индукционного тока. В этот момент вспыхивает лампа Лн которая, при нормальных условиях, загорается при напряжении 200В. А накопилась эта энергия раньше, при замыкании цепи, когда за счёт энергии источника тока совершалась работа по преодолению тока самоиндукции, препятствующего увеличению тока в цепи, и его магнитного поля.
Индуктивность
- это величина, равная ЭДС самоиндукции при изменении силы тока в проводнике на 1 А за 1 с. Единица индуктивности - генри (Гн). 1 Гн = 1 В с/А. 1 генри - это индуктивность такого проводника, в котором возникает ЭДС самоиндукции 1 вольт при скорости изменения силы тока 1 А/с. L называют индуктивностью. Демонстрация различных катушек индуктивности применяемых в радиотехнике и электротехнике. Используем раздаточный материал для просмотра учащимися. (катушки индуктивности)
Люминесцентная лампа – это газоразрядные источники света. Их световой поток формируется за счет свечения люминофоров, на которые воздействует ультрафиолетовое излучение разряда. Его видимое свечение обычно не превышает 1-2%. Люминесцентные лампы (ЛЛ) получили широкое применение в освещении помещений разного типа. Их световая отдача в разы больше, чем у привычных ламп накаливания. В качестве выключателя используют устройство – стартёр. Стартер представляет собой небольшую газоразрядную лампу тлеющего разряда. Стеклянная колба наполняется инертным газом (неон или смесь гелий-водород) и помещается в металлический или пластмассовый корпус. При включении схемы на напряжение сети оно полностью окажется приложенным к стартеру. Электроды стартера разомкнуты, и в нем возникает тлеющий разряд. В цепи будет проходить небольшой ток (20-50 мА). Этот ток нагревает биметаллические электроды, и они, изгибаясь, замкнут цепь, и тлеющий разряд в стартере прекратится. После зажигания лампы в цепи установится ток, равный номинальному рабочему току лампы. Этот ток обусловит такое падение напряжения на дросселе, что напряжение на лампе станет примерно равным половине номинального напряжения сети. Так как стартер включен параллельно лампе, то напряжение на нем будет равно напряжению на лампе и в связи с тем, что оно недостаточно для зажигания тлеющего разряда в стартере, его электроды останутся разомкнутыми при горении лампы.
5. Закрепление.
1. Какое явление изучалось на проделанном опыте.
2. В чём заключается явление самоиндукции?
3. Может ли возникнуть ток самоиндукции в прямом проводнике с током? Если нет, то объясните почему; если да, то при каком условии.
4. За счёт уменьшения какой энергии совершалась работа по созданию индукционного тока при размыкании цепи?
5. Какие факты доказывают, что магнитное поле обладает энергией?
6. Что такое индуктивность?
7. Назовите единицу индуктивности в СИ и как она называется?
8. Что такое дроссель и для чего он нужен при работе люминесцентной лампы?
Задача1. Какова индуктивность катушки, если при постепенном изменении в ней силы тока от 5 до 10А за 0,1 с возникает ЭДС самоиндукции, равная 20В?
Мы уже изучили, что около проводника с током возникает магнитное поле. А также изучили, что переменное магнитное поле порождает ток (явление электромагнитной индукции). Рассмотрим электрическую цепь. При изменении силы тока в этой цепи произойдет изменение магнитного поля, в результате чего в этой же цепи возникнет дополнительный индукционный ток . Такое явление называется самоиндукцией , а ток, возникающий при этом, называется током самоиндукции .
Явление самоиндукции - это возникновение в проводящем контуре ЭДС, создаваемой вследствие изменения силы тока в самом контуре.
Индуктивность контура зависит от его формы и размеров, от магнитных свойств окружающей среды и не зависит от силы тока в контуре.
ЭДС самоиндукции определяется по формуле:
Явление самоиндукции подобно явлению инерции . Так же, как в механике нельзя мгновенно остановить движущееся тело, так и ток не может мгновенно приобрести определенное значение за счет явления самоиндукции. Если в цепь, состоящую из двух параллельно подключенных к источнику тока одинаковых ламп, последовательно со второй лампой включить катушку, то при замыкании цепи первая лампа загорается практически сразу, а вторая с заметным запаздыванием.
При размыкании цепи сила тока быстро уменьшается, и возникающая ЭДС самоиндукции препятствует уменьшению магнитного потока. При этом индуцированный ток направлен так же, как и исходный. ЭДС самоиндукции может во многом раз превысить внешнюю ЭДС. Поэтому электрические лампочки очень часто перегорают при выключении света.
Энергия магнитного поля
Энергия магнитного поля контура с током.
САМОИНДУКЦИЯ
Каждый проводник, по которому протекает эл.ток, находится в собственном магнитном поле.
При изменении силы тока в проводнике меняется м.поле, т.е. изменяется магнитный поток, создаваемый этим током. Изменение магнитного потока ведет в возникновению вихревого эл.поля и в цепи появляется ЭДС индукции. 
Это явление называется самоиндукцией.
Самоиндукция - явление возникновения ЭДС индукции в эл.цепи в результате изменения силы тока.
Возникающая при этом ЭДС называется ЭДС самоиндукции
Проявление явления самоиндукции
Замыкание цепи
При замыкании в эл.цепи нарастает ток, что вызывает в катушке увеличение магнитного потока, возникает вихревое эл.поле, направленное против тока, т.е. в катушке возникает ЭДС самоиндукции, препятствующая нарастанию тока в цепи (вихревое поле тормозит электроны).
В результате Л1 загорается позже,
чем Л2.
Размыкание цепи
При размыкании эл.цепи ток убывает, возникает уменьшение м.потока в катушке, возникает вихревое эл.поле, направленное как ток (стремящееся сохранить прежнюю силу тока) , т.е. в катушке возникает ЭДС самоиндукции, поддерживающая ток в цепи.
В результате Л при выключении ярко вспыхивает.
Вывод
в электротехнике явление самоиндукции проявляется при замыкании цепи (эл.ток нарастает постепенно) и при размыкании цепи (эл.ток пропадает не сразу).
ИНДУКТИВНОСТЬ
От чего зависит ЭДС самоиндукции?
Эл.ток создает собственное магнитное поле. Магнитный поток через контур пропорционален индукции магнитного поля (Ф ~ B), индукция пропорциональна силе тока в проводнике
(B ~ I), следовательно магнитный поток пропорционален силе тока (Ф ~ I).
ЭДС самоиндукции зависит от скорости изменения силы тока в эл.цепи, от свойств проводника
(размеров и формы) и от относительной магнитной проницаемости среды, в которой находится проводник.
Физическая величина, показывающая зависимость ЭДС самоиндукции от размеров и формы проводника и от среды, в которой находится проводник, называется коэффициентом самоиндукции или индуктивностью.
Индуктивность - физ. величина, численно равная ЭДС самоиндукции, возникающей в контуре при изменении силы тока на 1Ампер за 1 секунду.
Также индуктивность можно рассчитать по формуле:
где Ф - магнитный поток через контур, I - сила тока в контуре.
Единицы измерения индуктивности в системе СИ:
Индуктивность катушки зависит от:
числа витков, размеров и формы катушки и от относительной магнитной проницаемости среды
(возможен сердечник).
ЭДС САМОИНДУКЦИИ
ЭДС самоиндукции препятствует нарастанию силы тока при включении цепи и убыванию силы тока при размыкании цепи.
ЭНЕРГИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ТОКА
Вокруг проводника с током существует магнитное поле, которое обладает энергией.
Откуда она берется? Источник тока, включенный в эл.цепь, обладает запасом энергии.
В момент замыкания эл.цепи источник тока расходует часть своей энергии на преодоление действия возникающей ЭДС самоиндукции. Эта часть энергии, называемая собственной энергией тока, и идет на образование магнитного поля.
Энергия магнитного поля равна собственной энергии тока.
Собственная энергия тока численно равна работе, которую должен совершить источник тока для преодоления ЭДС самоиндукции, чтобы создать ток в цепи.
Ток, текущий по проводящему контуру, создает вокруг него магнитное поле. Магнитный поток Ф, сцепленный с контуром, прямопропорционален силе тока в этом контуре: Ф=LI, где L – индуктивность контура. Индуктивность проводника зависит от его формы, размеров, а также от свойств окружающей среды. Так как индукционный ток вызван изменением силы тока в самом проводнике, то данное явление возникновения индукционного тока называется самоиндукцией, а возникающая эдс – эдс самоиндукции. Самоиндукция является частным случаем явления электромагнитной индукции. Если I изменяется со временем по линейному закону, то E cи = - (Ф/t)= - L(I/t), где I/t – скорость изменения силы тока. Эта формула справедлива только при L=const. Индуктивность – величина, численно равная эдс самоиндукции, возникающей в контуре при изменении силы тока в нем на единицу за единицу времени. В СИ за единицу индуктивности принимают индуктивность такого проводника, в котором при изменении тока на 1А за 1с возникает эдс самоиндукции 1В. Эта единица называется Генри (Гн): 1Гн=1В*с/А.
Энергия магнитного поля , созданного током, по закону сохранения энергии равна энергии, затраченной источником на создание тока. При замыкании цепи ток в в цепи вследствии самоиндукции не мразу достигнет максимального значения I 0 , а посепенно. При размакании цепи ток также изчезает не сразу, а постепенно, при этом в проводнике выделяется тепло. Так как цепь разомкнута, то это тепло не может выделятся за счет работы источника, а может быть только следствием энергии, накопленной в соленоиде, энергии магнитного поля. Энергия магнитного поля соленоида, когда ток полностью прекратиться, переходит в джоулево тепло. Выражение для магнитного поля соленоида имеет вид: W м =LI 2 /2.
Явление самоиндукции. Индуктивность
Электрический ток, проходящий по проводнику, создает вокруг него магнитное поле. Магнитный поток через контур из этого проводника пропорционален модулю индукции магнитного поля внутри контура, а индукция магнитного поля в свою очередь пропорциональна силе тока в проводнике. Следовательно, магнитный поток через контур прямо пропорционален силе тока в контуре:
Коэффициент пропорциональности между силой тока в контуре и магнитным потоком, создаваемым этим током, называется индуктивностью. Индуктивность зависит от размеров и формы проводника, от магнитных свойств среды, в которой находится проводник.
За единицу индуктивности в Международной системе принимается генри . Индуктивность контура равна 1 Гн, если при силе тока 1 А магнитный поток через контур равен 1 Вб:
При изменении силы тока в катушке происходит изменение магнитного потока, создаваемого этим током. Изменение магнитного поля, пронизывающего катушку, должно вызывать появление ЭДС индукции в катушке. Явление возникновения ЭДС индукции в электрической цепи в результате изменения силы тока в этой цепи называется самоиндукцией .
В соответствии с правилом Ленца ЭДС самоиндукции препятствует нарастанию силы тока при включении и убыванию силы тока при выключении цепи.
ЭДС самоиндукции, возникающая в катушке, по закону электромагнитной индукции равна
,
т. е.
ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна индуктивности катушки и скорости изменения силы тока в катушке.
Элемент электрической цепи обладает индуктивностью 1 Гн, если при равномерном изменении силы тока в цепи на 1 А за 1 с в нем возникает ЭДС самоиндукции 1 В.
Явление самоиндукции заключается в появлении ЭДС индукции в самом проводнике при изменении тока в нем. Примером явления самоиндукции является опыт с двумя лампочками, подключенными параллельно через ключ к источнику тока, одна из которых подключается через катушку (рис. 39). При замыкании ключа лампочка 2, включенная через катушку, загорается позже лампочки 1. Это происходит потому, что после замыкания ключа ток достигает максимального значения не сразу, магнитное поле нарастающего тока породит в катушке индукционную ЭДС, которая в соответствии с правилом Ленца будет мешать нарастанию тока.
Для самоиндукции выполняется установленный опытным путем закон: ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна скорости изменения тока в проводнике. .
Коэффициент пропорциональности L называют индуктивностью. Индуктивность - это величина, равная ЭДС самоиндукции при скорости изменения тока в проводнике 1 А/с. Единица индуктивности - генри (Гн). 1 Гн = 1 В с/А. 1 генри - это индуктивность такого проводника, в котором возникает ЭДС самоиндукции 1 вольт при скорости изменения тока 1 А/с. Индуктивность характеризует магнитные свойства электрической цепи (проводника), зависит от магнитной проницаемости среды сердечника, размеров и формы катушки и числа витков в ней.
При отключении катушки индуктивности от источника тока лампа, включенная параллельно катушке, дает кратковременную вспышку (рис. 40).
Ток в цепи возникает под действием ЭДС самоиндукции. Источником энергии, выделяющейся при этом в электрической цепи, является магнитное поле катушки. Энергия магнитного поля находится по формуле Энергия магнитного поля зависит от индуктивности проводника и силы тока в нем. Эта энергия может переходить в энергию электрического поля. Вихревое электрическое поле порождается переменным магнитным полем, а переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле, т. е. переменные электрическое и магнитное поля не могут существовать друг без друга. Их взаимосвязь позволяет сделать вывод о существовании единого электромагнитного поля. Электромагнитное поле - одно из основных физических полей, посредством которого осуществляется взаимодействие электрически заряженных частиц или частиц, обладающих магнитным моментом. Электромагнитное поле характеризуется напряженностью электрического поля и магнитной индукцией. Связь между этими величинами и распределением в пространстве электрических зарядов и токов была установлена в 60-х годах прошлого столетия Дж. Максвеллом. Эта связь носит название основных уравнений электродинамики, которые описывают электромагнитные явления в различных средах и в вакууме. Получены эти уравнения как обобщение установленных на опыте законов электрических и магнитных явлений.
