Меню
Видеоучебник
Видеоучебник  /  Физика  /  11 класс  /  Физика 11 класс ФГОС  /  Явление самоиндукции. Индуктивность

Явление самоиндукции. Индуктивность

Урок 6. Физика 11 класс ФГОС

Посмотрев этот видеоурок, учащиеся познакомятся с явлением самоиндукции. Узнают, что называют электродвижущей силой самоиндукции и от чего она зависит. Познакомятся с индуктивностью контура. А также научатся рассчитывать энергию магнитного поля тока.

Доступ к видеоуроку ограничен


Конспект урока "Явление самоиндукции. Индуктивность"

Как мы свами выяснили на прошлых уроках, электромагнитная индукция проявляется во всех случаях изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром. Современник Фарадея американский физик Джозеф Генри примерно в тоже время, что и Фарадей, пытался превратить магнетизм в электричество. И несмотря на то, что удалось ему это сделать немного позже, чем Фарадею, Генри удалось открыть некоторые важные электромагнитные эффекты. В частности, Генри обнаружил, что ЭДС индукции может возникнуть в неподвижном контуре и в отсутствие изменения внешнего магнитного поля. Оказалось, что переменный электрический ток, проходящий в контуре, создаёт изменяющийся магнитный поток. Это явление было названо самоиндукцией.

Пронаблюдать за явлением самоиндукции можно на таком опыте. Соберём цепь, состоящую из источника тока, ключа, двух одинаковых лампочек, катушки с сердечником и резистора, сопротивление которого такое же, как и у обмотки катушки. Замкнём цепь. Как вы могли заметить, лампочка, соединённая последовательно с резистором, загорелась практически моментально. А вот вторая, соединённая с электромагнитом, с заметным опозданием (в реальном времени задержка составляет порядка одной секунды).

Объяснить этот опыт нам поможет правило Ленца. Итак, в момент замыкания цепи в катушке электромагнита возникает магнитное поле, которое постепенно увеличивается с ростом силы тока в витках катушки. Это приводит к тому, что увеличивается и магнитный поток, пронизывающий витки катушки. Мы уже знаем, что при изменении магнитного потока в витках катушки возникает индукционный ток, который препятствует увеличению силы тока в обмотке катушки. Когда же ток в катушке достигает постоянной величины, изменение магнитного потока прекращается и индукционный ток исчезает.

Самоиндукция является важным частным случаем явления электромагнитной индукции. Мы уже показали, что если электрический ток в замкнутом проводящем контуре меняется по каким-либо причинам, то пропорционально будет изменяться и магнитное поле этого тока (B ~ I). Но при изменении индукции магнитного поля, создаваемого током в контуре, пропорционально изменяется и магнитный поток (Ф ~ B). Поэтому, магнитный поток через поверхность, ограниченную контуром, будет пропорционален силе тока в контуре: (Ф ~ В ~ I).

В 1853 году Уильямом Томсоном предложил назвать коэффициент пропорциональности между магнитным потоком и силой тока коэффициентом самоиндукции (или просто индуктивностью контура):

Ф = LI.

 Обозначается индуктивность большой латинской буквой L, а единицей её измерения в СИ служит генри, названная так, как вы догадались, в честь Джозефа Генри.

Индуктивность контура равна 1 Гн, если при силе тока в контуре 1 А магнитный поток через поверхность, ограниченную этим контуром, равен 1 Вб.

Индуктивность контура зависит от размеров и формы контура, а также от магнитных свойств среды, в которой находится этот контур.

Из формулы для магнитного потока следует, что изменить его можно тремя способами:

·                   изменяя силу тока в контуре;

·                   изменяя его индуктивность;

·                   или изменяя и то, и другое одновременно.

Если в контуре проходит постоянный ток, то вокруг контура существует постоянное магнитное поле. В этом случае собственный магнитный поток, пронизывающий контур, с течением времени остаётся постоянным, и ЭДС индукции в этом контуре не возбуждается.

Если же проходящий в контуре ток со временем изменяется, то происходит изменение и собственного магнитного потока. Согласно закону электромагнитной индукции, это приводит к возникновению электродвижущей силы в контуре, которую называют электродвижущей силой самоиндукции (или просто ЭДС самоиндукции) и обозначают ξsi.

Тогда можно сказать, что явление самоиндукции заключается в возникновении ЭДС индукции в самом проводнике, по которому протекает переменный электрический ток.

По закону электромагнитной индукции среднее значение ЭДС самоиндукции, возникающей в контуре с постоянной индуктивностью, прямо пропорциональна индуктивности контура и скорости изменения силы тока в контуре:

Из этой формулы следует, что индуктивность — это скалярная физическая величина, численно равная ЭДС самоиндукции, возникающей в контуре при изменении силы тока на 1 А за 1 с.

Давайте теперь, для примера, определим собственный магнитный поток в конце процесса нарастания тока в катушке индуктивности, если за 10 мс сила тока равномерно возросла от 1,5 А до 2,5 А и при этом в катушке возникла ЭДС самоиндукции, равная –15 В.

В начале урока мы с вами показали проявление самоиндукции в момент замыкания цепи. Однако это явление можно пронаблюдать и при размыкании цепи. Давайте соберём электрическую цепь, состоящую из ключа и катушки с большим количеством витков, намотанных на железном сердечнике. Параллельно катушке подключим лампочку. Замкнув цепь, мы с вами наблюдаем очень тусклое свечение лампочки, поскольку отношение сил токов, проходящих через лампочку и катушку, обратно отношению их сопротивлений.

Однако при размыкании ключа происходит яркая кратковременная вспышка лампы.

В момент размыкании цепи сила тока в катушке постепенно убывает. Это приводит к возникновению ЭДС самоиндукции и, следовательно, тока самоиндукции. Этот ток, согласно правилу Ленца, совпадает по направлению с током катушки, не позволяя ему резко уменьшить силу тока. Это и обеспечивает вспышку лампочки.

Здесь мы с вами можем провести аналогию между самоиндукцией и явлением инерции в механике. Подобно тому, как явление инерции не даёт телу мгновенно изменить скорость под действием приложенной силы, явление самоиндукции не даёт току в цепи мгновенно приобрести определённое значение.

А теперь зададимся вопросом: откуда берётся энергия, обеспечивающая вспышку лампочки, ведь это не может быть энергия источника тока, так как он уже отключён. Ответ напрашивается сам собой: скорее всего запасённая в катушке в процессе самоиндукции энергия магнитного поля превращается во внутреннюю энергию спирали лампочки и энергию её излучения.

Проверим наше предположение с помощью небольшого опыта. Соберём электрическую цепь, состоящую из источника тока, двойного ключа, лампочки, катушки большой индуктивности, резистора и амперметра. Как видим, лампочка последовательно соединена с катушкой индуктивности. Ключ нам поможет замыкать цепь либо на источник тока, либо на активное сопротивление. Итак, для начала замкнём цепь на источник тока — амперметр фиксирует появление постоянного тока в цепи. А теперь при помощи ключа быстро замкнём катушку на резистор.

Амперметр сигнализирует нам о том, что сила тока в цепи со временем убывает. В течение этого времени всё ещё происходит перенос заряда в цепи катушки и резистора, то есть совершается работа. Эта работа и равна энергии магнитного поля катушки с током, так как именно энергия характеризует способность тел совершать работу.

Она равна половине произведения индуктивности контура и квадрата силы тока в нём:

Используя выражение для магнитного потока, можно получить ещё две формулы для определения энергии магнитного поля тока:

480

Комментарии 0

Чтобы добавить комментарий зарегистрируйтесь или на сайт