Прежде, чем разобраться с тем, что такое электромагнитная индукция, нужно определить такую сущность, как магнитный поток.
Представьте, что вы взяли обруч в руки и вышли на улицу в ливень. Чем сильнее ливень, тем больше через этот обруч пройдет воды — поток воды больше.
Если обруч расположен горизонтально, то через него пройдет много воды. А если начать его поворачивать — уже меньше, потому что он расположен не под прямым углом к вертикали.
Теперь давайте поставим обруч вертикально — ни одной капли не пройдет сквозь него (если ветер не подует, конечно).
Магнитный поток по сути своей — это тот же самый поток воды через обруч, только считаем мы величину прошедшего через площадь магнитного поля, а не дождя.
Магнитным потоком через площадь S контура называют скалярную физическую величину, равную произведению модуля вектора магнитной индукции B, площади поверхности S, пронизываемой данным потоком, и косинуса угла α между направлением вектора магнитной индукции и вектора нормали (перпендикуляра к плоскости данной поверхности):
Магнитный поток
Ф — магнитный поток [Вб]
B — магнитная индукция [Тл]
S — площадь пронизываемой поверхности [м^2]
n — вектор нормали (перпендикуляр к поверхности) [-]
Магнитный поток можно наглядно представить как величину, пропорциональную числу магнитных линий, проходящих через данную площадь.
В зависимости от угла α магнитный поток может быть положительным (α 90°). Если α = 90°, то магнитный поток равен 0. Это зависит от величины косинуса угла.
Изменить магнитный поток можно меняя площадь контура, модуль индукции поля или расположение контура в магнитном поле (поворачивая его).
В случае неоднородного магнитного поля и неплоского контура, магнитный поток находят как сумму магнитных потоков, пронизывающих площадь каждого из участков, на которые можно разбить данную поверхность.
Электромагнитная индукция
Электромагнитная индукция — явление возникновения тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего его.
Явление электромагнитной индукции было открыто М. Фарадеем.
Майкл Фарадей провел ряд опытов, которые помогли открыть явление электромагнитной индукции.
Опыт раз. На одну непроводящую основу намотали две катушки: витки первой катушки были расположены между витками второй. Витки одной катушки были замкнуты на гальванометр, а второй — подключены к источнику тока.
При замыкании ключа и протекании тока по второй катушке в первой возникал импульс тока. При размыкании ключа также наблюдался импульс тока, но ток через гальванометр тек в противоположном направлении.
Опыт два. Первую катушку подключили к источнику тока, а вторую — к гальванометру. При этом вторая катушка перемещалась относительно первой. При приближении или удалении катушки фиксировался ток.
Опыт три. Катушка замкнута на гальванометр, а магнит движется вдвигается (выдвигается) относительно катушки
Вот, что показали эти опыты:
Индукционный ток возникает только при изменении линий магнитной индукции.
Направление тока будет различно при увеличении числа линий и при их уменьшении.
Сила индукционного тока зависит от скорости изменения магнитного потока. Может изменяться само поле, или контур может перемещаться в неоднородном магнитном поле.
Почему возникает индукционный ток?
Ток в цепи может существовать, когда на свободные заряды действуют сторонние силы. Работа этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль замкнутого контура равна ЭДС.
Значит, при изменении числа магнитных линий через поверхность, ограниченную контуром, в нем появляется ЭДС, которую называют ЭДС индукции.
Закон электромагнитной индукции
Закон электромагнитной индукции (закон Фарадея) звучит так:
ЭДС индукции в замкнутом контуре равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром.
Математически его можно описать формулой:
Закон Фарадея
Ɛi — ЭДС индукции [В]
ΔФ/Δt — скорость изменения магнитного потока [Вб/с]
Знак «–» в формуле позволяет учесть направление индукционного тока. Индукционный ток в замкнутом контуре всегда направлен так, чтобы магнитный поток поля, созданного этим током сквозь поверхность, ограниченную контуром, уменьшал бы те изменения поля, которые вызвали появление индукционного тока.
Если контур состоит из N витков (то есть он — катушка), то ЭДС индукции будет вычисляться следующим образом.
Закон Фарадея для контура из N витков
Ɛi — ЭДС индукции [В]
ΔФ/Δt — скорость изменения магнитного потока [Вб/с]
N — количество витков [-]
Сила индукционного тока в замкнутом проводящем контуре с сопротивлением R:
Закон Ома для проводящего контура
Ɛi — ЭДС индукции [В]
I — сила индукционного тока [А]
R — сопротивление контура [Ом]
Если проводник длиной l будет двигаться со скоростью v в постоянном однородном магнитном поле с индукцией B ЭДС электромагнитной индукции равна:
ЭДС индукции для движущегося проводника
Ɛi — ЭДС индукции [В]
B — магнитная индукция [Тл]
v — скорость проводника [м/с]
l — длина проводника [м]
Возникновение ЭДС индукции в движущемся в магнитном поле проводнике объясняется действием силы Лоренца на свободные заряды в движущихся проводниках. Сила Лоренца играет в этом случае роль сторонней силы.
Движущийся в магнитном поле проводник, по которому протекает индукционный ток, испытывает магнитное торможение. Полная работа силы Лоренца равна нулю.
Количество теплоты в контуре выделяется либо за счет работы внешней силы, которая поддерживает скорость проводника неизменной, либо за счет уменьшения кинетической энергии проводника.
Изменение магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур, может происходить по двум причинам:
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
вследствие изменения во времени магнитного поля при неподвижном контуре. В этом случае возникновение ЭДС индукции уже нельзя объяснить действием силы Лоренца. 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.
Правило Ленца
Чтобы определить направление индукционного тока, нужно воспользоваться правилом Ленца.
Академически это правило звучит следующим образом: 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.
Давайте попробуем чуть проще: катушка в данном случае — это недовольная бабуля. Забирают у нее магнитный поток — она недовольна и создает магнитное поле, которое этот магнитный поток хочет обратно отобрать.
Дают ей магнитный поток, забирай, мол, пользуйся, а она такая — «Да зачем сдался мне ваш магнитный поток!» и создает магнитное поле, которое этот магнитный поток выгоняет.
Источник
какими способами можно изменить магнитное поле действие катушки с током?
Кошмар какой) ) ФИЗИКА! Но это вроде не очень сложный вопрос. он в Пёрышкине» должен быть. Там чем-то подействовать надо. .
Какую-то фигню нашла, глянь, мож то) )
Увеличить поле можно, лишь чрезмерно увеличивая вес магнита и используемый ток. Самый большой магнит, который когда-либо был построен ,- это магнит профессора Коттона: диаметр его железного сердечника почти 1 метр (в пространстве между полюсами может встать человек) , и для его работы требуется громадный ток. Магнитное поле возрастает очень медленно с возрастанием размера электромагнита, и даже магнит профессора Коттона не создает поля больше 60 000 Э в объеме, достаточном для проведения экспериментов.
Оказалось, что более успешным методом является использование катушек. . При этом требуются очень большие токи, так как величина поля в катушке пропорциональна возбуждающему току. Очевидно, что для создания больших полей таким путем необходимо увеличивать ток, но при зтом мы встречаемся с трудностями, поскольку, с одной стороны, нам нужен источник очень большого тока, а с другой стороны, величина тока в этом случае существенно ограничена нагреванием катушки током.
Одним из способов уменьшения теплового эффекта мог бы явиться отвод тепла по мере его выделения; другой способ — охлаждение катушки до очень низкой температуры. При этом значительно уменьшилось бы сопротивление, а в некоторых металлах оно даже упало бы до нуля, если бы металл стал сверхпроводником. В этом случае трудностью явилось бы то, что магнитное поле, созданное катушкой, разрушило бы сверхпроводящее состояние и очень быстро увеличило бы сопротивление до значения, близкого к его величине при комнатной температуре. Ни один из этих методов не кажется достаточно перспективным, и даже если их реализовать наиболее эффективным способом, они вряд ли позволили бы создать поле, большее 50000-60000 Э. Если предположить возможность изготовления эффективной катушки с внутренним диаметром в 1 см, то, как показывает расчет, для создания в такой катушке поля в 1000000 Э потребуется мощность в 50000 кВт, и катушка за 1 с нагреется до 10000°С; ясно, что мы не можем работать с таким большим нагревом.
Источник
Разработка урока по физике «Магнитное поле катушки с током. Электромагниты»
Тема:Магнитное поле катушки с током. Электромагниты и их применение.
Цель урока: Формирование понятия о магнитном поле катушки с током, об электромагнитах и их применениях, исследовать зависимость магнитных сил катушки с током от числа витков катушки, силы тока в катушке и наличия железного сердечника в катушке. Развитие у учащихся умения анализировать, делать умозаключения. Приобретение исследовательских навыков учащимися при работе с оборудованием. Формирование познаваемости мира, значимости изучаемого материала.
Тип урока: комбинированный (с использованием ИКТ)
Методы обучения: объяснительно- иллюстративный, частично- поисковый.
Интонационное выделение учителем важных моментов изложения
Ответы на поставленные вопросы
Демонстрация видеороликов с помощью мультимедийного оборудования
Работа с иллюстративным материалом
Самостоятельная работа с учебником
Исследовательская работа учащихся
Оборудование урока:компьютер, презентация «Электромагниты», источник постоянного тока, катушка трансформатора, сердечник, магнитная стрелка, железные опилки, гвоздики, лезвие на нити.
Оборудование для лабораторной работы:электромагнит разборный с деталями (предназначен для проведения фронтальных лабораторных работ по электричеству и магнетизму), источник тока, реостат, ключ, соединительные провода, компас.
1) действие соленоида (катушка без сердечника), по которому протекает постоянный ток, на магнитную стрелку;
действие соленоида (катушка с сердечником), по которому протекает постоянный ток, на магнитную стрелку;
способы изменения магнитного поля катушки с током.
Ребята! Сегодняшний урок я хочу начать латинским афоризмом: «Талант видит способ решать известные задачи, гений решает задачи, которые не видят его современники». Сегодня мы будем учиться быть талантливыми, а кто-то может быть проявит и гениальность. На прошлом уроках мы начали изучать новую форму материи – магнитное поле.
Сегодня мы продолжим наше знакомство с ним. Я думаю каждый из вас откроет новые тайны и загадки магнитного поля и мы вместе попробуем в них разобраться.
Но вначале проверим, как вы поняли материал прошлого урока – проведем физический диктант.У вас на столах лежат карточки. Вам нужно закончить предложения:
Актуализация опорных знаний (6 мин).
Письменная работа «Продолжи предложение»
Вещества, которые притягивают железные предметы, называются. (магнитами).
Взаимодействие проводника с током и магнитной стрелки впервые обнаружил датский учёный . (Эрстед).
Между проводниками с током возникают силы взаимодействия, которые называются . (магнитными).
Места магнита, у которых сильнее всех проявляются магнитное действие, называются. (полюсами магнита).
Вокруг проводника с электрическим током существует . (магнитное поле).
Источником магнитного поля служит . (движущийся заряд).
Линии, вдоль которых в магнитном поле располагаются оси маленьких магнитных стрелок, называют . (силовыми магнитными линиями)
Магнитное поле вокруг проводника с током можно обнаружить, например, . (с помощью магнитной стрелки или спомощью железных опилок).
Магнитное поле отличается от электрического тем, что оно существует вокруг…(движущихся зарядов)
Магнитное поле прямого тока представляет собой …(замкнутые концентрические линии)
Взаимопроверка в парах по слайдам, оценивание.
Изложение нового материала.
На прошлом уроке мы с вами ознакомились с магнитным полем прямого проводника и узнали, что вокруг любого проводника с током существует невидимое, но существующее в реальности магнитное поле. Мы выяснили, как можно обнаружить эту невидимку. Существуют 2 способа: с помощью железных опилок и с помощью магнитных стрелок. А теперь пойдем дальше. На этом уроке мы будем исследовать магнитное поле катушки с током. И познакомимся с электромагнитом.
Тема: Магнитное поле катушки с током. Электромагниты и их применение.
Чтобы получить катушку, надо взять изолированный проводник и намотать этот проводник на каркас.
Посмотрите, пожалуйста, вот здесь представлена катушка, и эта катушка содержит в себе большое количество витков медного провода. Обратите внимание, эти провода намотаны на пластмассовый каркас, и у этого провода есть два вывода. Вот один вывод, и этот вывод.
Исследование магнитного поля катушки провели два французских ученых – это, конечно, Ампер, о котором мы говорили, и еще один очень известный, знаменитый ученый Араго. Когда они проводили исследования магнитного поля катушки, они выяснили, что это поле полностью соответствует магнитному полю постоянного магнита.
В чем это выражалось?
Это выражалось в следующем.
ОПЫТ 1 Притягивание катушкой с током мелких железных предметов (катушка от электромагнита, батарейка, ключ, мелкие железные предметы)
Во-вторых, у катушки, по которой протекал электрический ток, были ярко выражены северный и южный магнитные полюса. Как это определить? (Выслушиваю предположения детей)
ОПЫТ 2 Магнитная стрелка в магнитном поле катушки (Катушка от трансформатора 220В, источник постоянного тока 5-10В, магнитная стрелка (рис 12))
Определялось это тоже с помощью магнитной стрелки. Когда подносили магнитную стрелку к катушке, то выяснялось, что вокруг этой катушки образуется магнитное поле, и оно совершенно точно соответствует такому же магнитному полю, как у постоянного магнита.
Значит катушка с током, как и магнитная стрелка, имеет два полюса – северный и южный.
Дальше, если мы поместим рядом с этой катушкой большое количество железных опилок, стружек, то они точно так же будут располагаться вокруг этой катушки, как и вокруг проводника с током или постоянного магнита. Тем самым будет понятно, что магнитное поле есть определенной формы, определенного значения, о котором мы можем судить по густоте этих линий.
На схемах катушка обозначается определенным символом. Посмотрите на схематичное изображение катушки.
Катушки с током широко используют в технике в качестве магнитов. Они удобны тем, что их магнитное действие можно изменять (Усиливать или ослаблять) в широких пределах. Рассмотрим способы, при помощи которых это можно сделать.
СЛАЙДМагнитное действие катушки с током тем сильнее, чем больше число витков в ней.
ОПЫТ 3 по изменению силы тока в катушке (Катушка от трансформатора 220В, источник постоянного тока 5-20В (рис 12), магнитная стрелка)
Обращаю ваше внимание на то, что магнитное поле катушки с током достаточно велико, по сравнению с магнитным полем проводника с током. Оказывается, при небольшой силе тока оно уже достаточно ощутимо. Но его можно еще более усилить, не меняя число витков и силу тока в ней. Это открытие английского инженера Стёржента. Он продемонстрировал следующее: когда он взял примерно такую катушку, взял железный сердечник и надел эту катушку на железный сердечник. Железо, введенное внутрь катушки, усиливает ее магнитное действие.
ОПЫТ 4 Влияние железного магнитопровода на магнитное действие катушки. (Катушка от трансформатора 220В, источник постоянного тока 5-20В, железный магнитопровод, магнитная стрелка (рис 16))
ОПЫТ 5 (рис 21, железные опилки, гвоздики)
ОПЫТ 6 (рис 15, лезвие на нити)
Это устройство получило название «электромагнит».
Итак, что такое электромагнит?
Электромагнитом называют катушку с большим числом витков, надетую на железный сердечник.
Электромагнит на схеме обозначается, обратите внимание, как катушка, а сверху располагается такая горизонтальная линия. Эта линия характеризует железный сердечник.
На сегодняшний день электромагниты очень широко распространены. Электромагниты работают у нас практически везде и всюду. Без электромагнитов не работает теперь уже практически ни одно устройство.
СЛАЙДЫ (применение электромагнитов)
ВИДЕОРОЛИК — электромагнитный кран.
Практическая часть (12 мин).
Выполнение учениками самостоятельно лабораторной работы №8 «Сборка электромагнита и испытание его действия», стр.175 учебника «Физика-8» (автор A.В. Пёрышкин, «Дрофа», 2009 г.).
Закрепление изученного материала.
Подумай и ответь
От чего зависят магнитные свойства электромагнита? (Отсилы тока, от количества витков, от магнитных свойствсердечника, от формы и размеров катушки.)
Можно ли намотанную на гвоздь проволоку назвать электромагнитом? (Да.)
По электромагниту пустили ток, а затем уменьшили его в два раза. Как изменились магнитные свойства электромагнита? (Уменьшились в 2 раза.)
Как построить сильный электромагнит, если поставлено условие, чтобы ток в электромагните был сравнительно слабый?
Как будут вести себя две катушки, висящие на тонких проводах рядом, если по ним пропустить ток?
Что надо сделать, чтобы изменить магнитные полюсы катушки на противоположные?
Используемые в подъемном кране электромагниты обладают громадной мощностью. Электромагниты, при помощи которых удаляют из глаз случайно попавшие железные опилки, очень слабы. Какими способами достигают такого различия?
6. Домашнее задание.
1. §58. Задание 9 — устно.
2. Выполнить домашний исследовательский проект «Мотор за 10 минут» (инструкция выдаётся каждому ученику для работыдома, см. Приложение).
Ребята! Сегодня мы с Вами хорошо потрудились. Китайская пословица гласит:
«Человек может стать умным тремя путями: путем подражания – это самый легкий путь, путем опыта – это самый трудный путь, и путем размышления – это самый благородный путь». Сегодня мы вместе попробовали идти различными путями к намеченной цели, и, я надеюсь, каждый из вас ощутил на этом пути интерес к познанию нового.
Предлагаю определить каждому свой путь, по которому он сегодня следовал.
Разного цвета кружки дети крепят к доске.
ЖЕЛТЫЙ — подражание, КРАСНЫЙ — опыт, ЗЕЛЕНЫЙ – размышление.
Письменная работа «Продолжи предложение»
Вещества, которые притягивают железные предметы, называются_______________________
Взаимодействие проводника с током и магнитной стрелки впервые обнаружил датский учёный ___________________________________
Между проводниками с током возникают силы взаимодействия, которые называются ____________________________________
Места магнита, у которых сильнее всех проявляются магнитное действие, называются ____________________________________
Вокруг проводника с электрическим током существует _____________________________________
Источником магнитного поля служит __________________________________________________________
Линии, вдоль которых в магнитном поле располагаются оси маленьких магнитных стрелок, называют _________________________________________________________________
Магнитное поле вокруг проводника с током можно обнаружить с помощью _______________________________________________________________
Магнитное поле отличается от электрического тем, что оно существует вокруг ___________________________________________________________________
Магнитное поле прямого тока представляет собой _____________________________________________
Письменная работа «Продолжи предложение»
Вещества, которые притягивают железные предметы, называются_______________________
Взаимодействие проводника с током и магнитной стрелки впервые обнаружил датский учёный ___________________________________
Между проводниками с током возникают силы взаимодействия, которые называются ____________________________________
Места магнита, у которых сильнее всех проявляются магнитное действие, называются ____________________________________
Вокруг проводника с электрическим током существует _____________________________________
Источником магнитного поля служит __________________________________________________________
Линии, вдоль которых в магнитном поле располагаются оси маленьких магнитных стрелок, называют _________________________________________________________________
Магнитное поле вокруг проводника с током можно обнаружить с помощью _______________________________________________________________
Магнитное поле отличается от электрического тем, что оно существует вокруг ___________________________________________________________________
Магнитное поле прямого тока представляет собой _____________________________________________
Проект «Мотор за 10 минут»
Всегда интересно наблюдать за изменяющимися явлениями, особенно если сам участвуешь в создании этих явлений. Сейчас мы соберем простейший (но реально работающий) электродвигатель, состоящий из источника питания, магнита и небольшой катушки провода, которую мы тоже сделаем сами. Существует секрет, который заставит этот набор предметов стать электродвигателем; секрет, который одновременно умен и изумительно прост. Вот что нам нужно:
батарея 1,5 В или аккумулятор;
держатель с контактами для батареи;
1 метр провода с эмалевой изоляцией (диаметр 0,8-1 мм);
0,3 метра неизолированного провода (диаметр 0,8-1 мм).
Мы начнем с намотки катушки, той части электродвигателя, которая будет вращаться. Чтобы сделать катушку достаточной ровной и круглой, намотаем ее на подходящем цилиндрическом каркасе, например, на батарейке АА.
Оставляя свободными по 5 см провода с каждого конца, намотаем 15-20 витков на цилиндрическом каркасе. Не старайтесь особенно плотно и ровно наматывать катушку, небольшая степень свободы поможет катушке лучше сохранить свою форму.
Теперь аккуратно снимите катушку с каркаса, стараясь сохранить полученную форму.
Затем оберните несколько раз свободные концы провода вокруг витков для сохранения формы, наблюдая за тем, чтобы новые скрепляющие витки были точно напротив друг друга.
Катушка должна выглядеть так:
Сейчас настало время секрета, той особенности, которая заставит мотор работать. Это изысканный и неочевидный прием, и его очень сложно обнаружить, когда мотор работает. Даже люди, много знающие о работе двигателей, могут быть удивлены, обнаружив этот секрет.
Держа катушку вертикально, положите один из свободных концов катушки на край стола. Острым ножом удалите верхнюю половину изоляции с одного свободного конца катушки (держателя), оставляя нетронутой нижнюю половину. Проделайте то же самое со вторым концом катушки, наблюдая за тем, чтобы неизолированные концы провода были направлены вверх у двух свободных концов катушки.
В чем смысл этого приема? Катушка будет лежать на двух держателях, изготовленных из неизолированного провода. Эти держатели будут присоединены к разным концам батареи так, чтобы электрический ток мог проходить от одного держателя через катушку к другому держателю. Но это будет происходить только тогда, когда неизолированные половины провода будут опущены вниз, касаясь держателей.
Теперь необходимо изготовить поддержку для катушки. Это просто витки провода, которые поддерживают катушку и позволяют ей вращаться. Они сделаны из неизолированного провода, так как, кроме поддержки катушки, они должны доставлять ей электрический ток. Просто оберните каждый кусок неизолированного про вода вокруг небольшого гвоздя — получите нужную часть нашего двигателя.
Основанием нашего первого мотора будет держатель батареи. Это будет подходящая база еще и потому что при установленной батарее она будет достаточно тяжелой для того, чтобы мотор не дрожал. Соберите пять частей вместе, как показано на снимке (вначале без магнита). Положите сверху батарейки магнит и аккуратно подтолкните катушку…
Если все сделано правильно, катушка начнет быстро вращаться!
Надеюсь, что у вас все заработает с первого раза. Если все-таки мотор не заработал, тщательно проверьте все электрические соединения. Вращается ли катушка свободно? Достаточно ли близко расположен магнит? Если недостаточно, установите дополнительные магниты или подрежьте проволочные держатели.
Когда мотор заработает, единственное, на что нужно обратить внимание — чтобы не перегрелся аккумулятор, так как ток достаточно большой. Просто снимите катушку — и цепь будет разорвана.
Модель вашего мотора продемонстрируйте одноклассникам и учителю на следующем уроке физики. Пусть комментарии одноклассников и оценка учителем твоего проекта станут стимулом для дальнейшего успешного проектирования физических приборов и познания окружающего мира. Желаю успехов!
