Презентация по теме 3.14 Самоиндукция. Индуктивность. ЭДС самоиндукции. Энергия магнитного поля.

ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

НОВОСИБИРСКОЙ ОБЛАСТИ

«БАРАБИНСКИЙ МЕДИЦИНСКИЙ КОЛЛЕДЖ»

Рассмотрена на заседании

ЦМК ОГСЭД

Протокол № ___________

от ____________ 2018 г.

Председатель ЦМК

Хританкова Н. Ю.

(Ф. И. О.)

______________________

(подпись)

МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТА

Специальность 34.02.01 Сестринское дело (с базовой подготовкой)

Дисциплина: «Физика»

Раздел 3 Электродинамика. Колебания и волны. Оптика

Тема 3.13 Самоиндукция. Индуктивность. ЭДС самоиндукции. Энергия магнитного поля.

Разработчик – преподаватель Вашурина Т. В.

2018

СОДЕРЖАНИЕ

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Уважаемый студент! Данное методическое пособие поможет сформировать представления о роли и месте физики в современной научной картине мира; понимание физической сущности наблюдаемых во Вселенной явлений через изучение понятия самоиндукции, индуктивности, ЭДС самоиндукции, энергии магнитного поля; понимание роли физики в формировании кругозора и функциональной грамотности человека для решения практических задач; способствует формированию умения владеть основополагающими физическими понятиями, уверенно пользоваться физической терминологией и символикой. Способствует формированию умения организовывать собственную деятельность, выбирать типовые методы и способы выполнения упражнений (ОК 2).

МОТИВАЦИЯ

Тема 3.14 «Самоиндукция. Индуктивность. ЭДС самоиндукции. Энергия магнитного поля» входит в программу по учебной дисциплине «Физика» и занимает значительное место, т.к. знания, полученные при изучении данной темы необходимы для изучения многих тем как в рамках программы по физике, так и при изучении смежных дисциплин (химия, математика). Опасность работы с электроприборами заключается в том, что ток и напряжение не имеют внешних признаков, которые позволили бы человеку при помощи органов чувств (зрения, слуха, обоняния) обнаружить грозящую опасность и принять меры предосторожности. 

На самостоятельную работу по данной теме отводится 1 учебный час. Во время комбинированного занятия проводится актуализация знаний в форме устного опроса, с целью проверки остаточных знаний по предыдущей теме, которые необходимых при изучении нового материала; непосредственное изучение нового материала; первичного закрепление нового материала с помощью решения задач из сборника по данной теме. Контроль уровня усвоения нового материала проводится в форме тестирования студентов. Каждому образованному человеку необходимо непрерывно пополнять свои знания в области физики, развивать интерес к будущей профессии, понимание сущности и социальной значимости (ОК 1), научиться организовывать свою деятельность, уметь выбирать методы и способы выполнения задач и в дальнейшем оценивать их качество (ОК2), а также необходимо для будущего медицинского работника научится работать в коллективе и команде (ОК6).

ИСХОДНЫЙ МАТЕРИАЛ

Прочитайте материал и сделайте конспект в тетради.

План изложения учебного материала по теме

«Самоиндукция. Индуктивность. ЭДС самоиндукции. Энергия магнитного поля».

1. Самоиндукция.

2. Индуктивность.

3. ЭДС самоиндукции.

4. Энергия магнитного поля.

1. Самоиндукция - явление возникновения ЭДС индукции в проводящем контуре при изменении в нем силы тока. Возникающая при этом ЭДС называется ЭДС самоиндукции.

Проявление явления самоиндукции.

Замыкание цепи. При замыкании в электрической цепи нарастает ток, что вызывает в катушке увеличение магнитного потока, возникает вихревое электрическое 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 электрической цепи ток убывает, возникает уменьшение магнитного потока в катушке, возникает вихревое электрическое 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.

2.Индуктивность, или коэффициент самоиндук­ции — параметр электрической цепи, который определяет ЭДС самоиндукции, наводимой в цепи при изменении протекающего по ней тока или (и) ее деформации. Термином «индуктивность» обозначают также катушку самоиндукции, которая определяет ин­дуктивные свойства цепи.

Индуктивность — физическая величина, чис­ленно равная ЭДС самоиндукции, возникающей в контуре при изменении силы тока на 1 А за 1 с.

Индуктивность можно рассчитать по формуле: Ф = L∙I, где

Ф - магнитный поток через контур, I - сила тока в контуре.

Единица индуктивности в СИ генри (Гн): [L] = [] = []= Гн; 1 Гн = 1 .

Индуктивность, как и электроемкость, зависит от геометрии проводника — его размеров и формы, но не зависит от силы тока в проводнике. Кроме того, индуктивность зависит от магнитных свойств среды, в которой находится проводник.

Индуктивность катушки зависит от:

− числа витков,

− размеров и формы катушки;

− от относительной магнитной проницаемости среды (возможен сердечник).

Токи замыкания и размыкания.

При любом включении и выключении тока в цепи наблюдаются так называемые экстрато­ки самоиндукции (экстратоки замыкания и раз­мыкания), возникающие в цепи вследствие явле­ния самоиндукции и препятствующие (согласно правилу Ленца) нарастанию либо убыванию тока в цепи. Индуктивность характеризует инерционностьцепи по отношению к изменению в ней тока, и ее можно рассматривать как электродинамический аналог массы тела в механике, являющейся мерой инертности тела. При этом сила тока Iиграет роль скорости тела.

3. ЭДС самоиндукции.

Самоиндукция — возникновение ЭДС индук­ции в проводящем контуре при изменении в нем силы тока. ЭДС индукции возникает при изменении маг­нитного потока. Если это изменение вызывается собственным током, то говорят об ЭДС самоиндук­ции:

ε_is =–= –L,

где L — индуктивность контура, или его коэффи­циент самоиндукции.

4.Энергия магнитного поля тока.

Найдем энергию, которой обла­дает электрический ток в провод­нике. Согласно закону сохранения энергии энергия магнитного поля, созданного током, равна той энер­гии, которую должен затратить ис­точник тока (гальванический эле­мент, генератор на электростанции и др.) на создание тока. При прекращении тока эта энергия выделяется в той или иной форме.

Выясним, почему же для созда­ния тока необходимо затратить энергию, т. е. необходимо совершить работу. Объясняется это тем, что при замыкании цепи, когда ток начинает нарастать, в проводнике появляется вихревое электрическое поле, действующее против того электрического поля, которое со­здается в проводнике благодаря ис­точнику тока. Для того чтобы сила тока стала равной I, источник тока должен совершить работу против сил вихревого поля. Эта работа идет на увеличение энергии магнитного поля тока.

При размыкании цепи ток ис­чезает и вихревое поле совершает положительную работу. Запасенная током энергия выделяется. Это обна­руживается по мощной искре, воз­никающей при размыкании цепи с большой индуктивностью.

Записать выражение для энер­гии тока I, текущего по цепи с ин­дуктивностью L, (т. е. для энергии магнитного поля тока), можно на основании аналогии между инер­цией и самоиндукцией, о которой говорилось выше.

Если самоиндукция аналогична инерции, то индуктивность в про­цессе создания тока должна играть ту же роль, что и масса при увели­чении скорости тела в механике. Роль скорости тела в электродина­мике играет сила тока I как ве­личина, характеризующая движение электрических зарядов.

Если это так, то энергию тока W_м можно считать величиной, подобной кинетической энергии тела  в ме­ханике, и записать в виде W_м =(**).

Именно такое выражение для энер­гии тока и получается в резуль­тате расчетов.

Энергия тока (**) выражена через геометрическую характеристи­ку проводника L, и силу тока в нем I. Но эту же энергию можно выра­зить и через характеристики поля. Вычисления показывают, что плотность энергии магнитного поля (т. е. энергия единицы объема) пропор­циональна квадрату магнитной ин­дукции, подобно тому, как плот­ность энергии электрического поля пропорциональна квадрату напряженности электрического поля.

Магнитное поле, созданное элек­трическим током, обладает энергией, прямо пропорциональной квадрату силы тока.

Основные формулы:

Закон Фарадея (законом электромагнитной индукции): ε = – ,где ΔФ — изменение магнитного потока, Δt — промежуток време­ни, за которое это изменение произошло.

Явление самоиндукции заключается в том, что при изменении тока в цепи возникает ЭДС, противодействующая этому изменению.

Магнитный поток Ф через поверхность, ограниченную контуром, прямо пропорционален силе тока I в контуре: Ф = LI,

где L — коэф­фициент пропорциональности, называемый индуктивностью.

ЭДС самоиндукции выражается через изменение силы тока в цепи ΔI следующей фор­мулой:

ε = - = -L где Δt — время, за которое это изменение произошло.

Энергия магнитного поля W выражается формулой: W= 

ПРИЛОЖЕНИЕ №1

КОНТРОЛЬ ЗНАНИЙ ПО ПРЕДЫДУЩЕЙ ТЕМЕ (устно)

Сформулируйте (устно) ответы на вопросы по предыдущей теме:

«Правило Ленца. Вихревые токи. Электромагнитная теория Максвелла»

1. Правило Ленца.

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

Эта формула носит название закона 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. 1 иллюстрирует правило Ленца на примере неподвижного проводящего контура, который находится в однородном магнитном поле, модуль индукции которого увеличивается во времени.

Правило Ленца отражает тот экспериментальный факт, что  и  всегда имеют противоположные знаки (знак «минус» в формуле Фарадея). Правило Ленца имеет глубокий физический смысл – оно выражает закон сохранения энергии.

Правило Ленца (закон Ленца) было установлено Э. X. Ленцем в 1834 г. Оно уточняет закон электромагнитной индукции, открытый в 1831 г. М. Фарадеем. Правило Ленца определяет направление индукционного тока в замкнутом контуре при его движении во внешнем магнитном поле.

Направление индукционного тока всегда таково, что испытываемые им со стороны магнитно­го поля силы противодействуют движению контура, а создаваемый этим током магнитный поток Ф_i стремится компенсировать изменения внешнего магнитного потока Ф_e.

Закон Ленца является выражением закона сохранения энергии для электромагнитных яв­лений. Действительно, при движении замкнутого контура в магнитном поле за счет внешних сил необходимо выполнить некоторую работу против сил, возникающих в результате взаимодействия индуцированного тока с магнитным полем и направленных в сторону, противоположную движению.

Правило Ленца иллюстрируют рисунок:

  Если по­стоянный магнит вдвигать в катушку, замкнутую на гальванометр, индук­ционный ток в катушке будет иметь такое направление, которое создаст магнитное поле с вектором В', направленным противоположно вектору индукции поля магнита В, т. е. будет выталкивать магнит из катушки или препятствовать его движению. При вытягивании магнита из катуш­ки, наоборот, поле, создаваемое индукционным током, будет притягивать катушку, т. е опять препятствовать его движению.

1. Опишите алгоритм применения правила Ленца на практике.

Ответ: Для применения правила Ленца с целью определения направления индукционного тока I_e в контуре необходимо следовать таким рекомендациям:

1. Установить направление линий магнитной индукции  внешнего магнитного поля.

2. Выяснить, увеличивается ли поток магнитной индукции этого поля через поверхность, ограниченную контуром (ΔФ  0), или уменьшается (ΔФ 

3. Установить направление линий магнитной индукции  магнитного поля индукционного тока I_i. Эти линии должны быть направлены, согласно правилу Ленца, противоположно линиям , если ΔФ  0, и иметь одинаковое с ними направление, если ΔФ 

4. Зная направление линий магнитной индукции , определить направление индукционного тока I_i, пользуясь правилом буравчика.

3. В чем заключаются причины изменения магнитного потока?

Ответ: 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. Сила 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. 2).

На свободные заряды на этом участке контура действует сила Лоренца. Одна из составляющих этой силы, связанная с переносной скорость зарядов, направлена вдоль проводника. Эта составляющая указана на рис. 1.20.3. Она играет роль сторонней силы. Ее модуль равен

Работа силы F_Л на пути l равна:

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,

Для того, чтобы установить знак в формуле, связывающей  и  нужно выбрать согласованные между собой по правилу правого буравчика направление нормали  и положительное направление обхода контура  как это сделано на рис. 1.20.1 и 1.20.2. Если это сделать, то легко прийти к формуле Фарадея.

Если сопротивление всей цепи равно R, то по ней будет протекать индукционный ток, равный . За время Δt на сопротивлении R выделится джоулево тепло

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. 1.20.3, 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

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 Джеймсом Максвеллом в 1861 г.

4. Опишите возникновение электромагнитной индукции в неподвижных проводниках.

Ответ: 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.

Ответ:

(6)

(7)

В России .

В электродвигателе при пропускании тока появляется вращающий момент

.

Первый электродвигатель сконструирован Якоби (1836 г.).

Замкнутые токи, возникающие в сплошных проводящих средах, называются вихревыми токами или токами Фуко – по имени открывшего их французского ученого. Токи Фуко могут быть как вредными (в сердечниках трансформаторов, вращающихся частей генераторов и двигателей, токи Фуко вызывают бесполезное нагревание), так и полезными (в индукционных печах для плавки металлов или приготовления пищи). При этом проводящее тело (металл или пища) фактически играет роль сердечника. Оно помещается внутрь катушки, по которой пропускается переменный ток высокой частоты, порождающий внутри катушки переменное магнитное поле. А далее «работает» закон электромагнитной индукции. Переменное магнитное поле вызывает появление индукционных токов Фуко, которые и разогревают проводящее тело.

6. Опишите основные положения электромагнитной теории Максвелла.

Ответ: Теория Максвелла - это последовательная теория единого электромагнитного поля, которое создается произвольной системой электрических зарядов и токов. В теории Максвелла решается основная задача электродинамики: по заданному распределению зарядов и токов вычисляются характеристики создаваемых ими электрического и магнитного полей. Теория Максвелла – это обобщение важнейших законов, описывающих электрические и магнитные явления: теоремы Гаусса, закона полного тока, закона электромагнитной индукции.

Эта теория не рассматривает внутренний механизм явлений, происходящих в среде и вызывающих появление электрических и магнитных полей. Среда описывается с помощью трех величин, задающих ее электрические и магнитные свойства: относительной диэлектрической проницаемости , относительной магнитной проницаемостии удельной электрической проводимости.

Рассматриваются макроскопические поля, которые создаются макроскопическими зарядами и токами, сосредоточенными в объемах, много больших объемов атомов и молекул. Расстояния от источников полей до рассматриваемых точек пространства много больше линейных размеров атомов и молекул. Поэтому макроскопические поля изменяются заметно лишь на расстояниях, много больших размеров атомов.

Макроскопические заряды и токи являются совокупностями микроскопических зарядов и токов, которые создают свои электрические и магнитные микрополя. Эти микрополя непрерывно меняются с течением времени в каждой точке пространства. Макроскопические поля – это усредненные микрополя.

Теория Максвелла – теория близкодействия, согласно которой электрические и магнитные взаимодействия осуществляются посредством электромагнитного поля и распространяются с конечной скоростью, равной скорости света в данной среде.

Критерии оценки:

Оценка «5» - на поставленный вопрос студент дал полный развернутый ответ и ответил на дополнительный вопрос;

Оценка «4» - на поставленный вопрос студент дал полный развернутый ответ, но не ответил на дополнительный вопрос;

Оценка «3» - на поставленный вопрос студент дал неполный ответ и не смог ответить на дополнительный вопрос;

Оценка «2» - не ответил на поставленный вопрос.

ПРИЛОЖЕНИЕ №2

ЗАДАНИЯ ДЛЯ ЗАКРЕПЛЕНИЯ И СИСТЕМАТИЗАЦИИ НОВЫХ ЗНАНИЙ (письменно, не оценивается)

Выполните (письменно) задания из сборника.

Физика 11 Разноуровневые самостоятельные и контрольные работы А. Кирик стр. 10 средний уровень №1-6.

Эталоны ответов к заданиям для закрепления и систематизации

ПРИЛОЖЕНИЕ № 3

ЗАДАНИЯ ДЛЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО КОНТРОЛЯ ЗНАНИЙ

Дайте ответы на вопросы для предварительного контроля знаний.

(Устно, не оценивается. Эталоны ответов к вопросам для предварительного контроля знаний содержатся в исходном материале)

1. Дайте определение самоиндукции.

2. Опишите случаи возникновения данного явления.

3. Сформулируйте определение индуктивности.

4. По какой формуле можно ее рассчитать?

5. В каких единицах измеряется индуктивность?

6. От каких параметров зависит данная величина?

7. Как можно рассчитать ЭДС самоиндукции?

8. По какой формуле рассчитывается энергия магнитного поля?

ПРИЛОЖЕНИЕ №4

КОНТРОЛИРУЮЩИЙ МАТЕРИАЛ (письменно)

Выполните (письменно) тестовые задания для итогового контроля.

Тест

1. Какое явление называется самоиндукцией?

А) явление возникновения ЭДС индукции в проводящем контуре

Б) физическая величина, чис­ленно равная ЭДС самоиндукции

В) явление возникновения ЭДС индукции в проводящем контуре при изменении в нем силы тока

Г)явление возникновения электрического тока в проводящем контуре

1. Какая величина называется индуктивностью?

А) поток магнитной индукции через поверхность, ограниченную контуром

Б) физическая величина, чис­ленно равная ЭДС самоиндукции, возникающей в контуре при изменении силы тока на 1 А за 1 с.

В) физическая величина, чис­ленно равная ЭДС самоиндукции

3. Как называется единица измерения магнитной индуктивности?

А) Тесла;

Б)  вебер;

В)  генри;

Г)  фарад.

4. По какой формуле вычисляется энергия магнитного поля?

А) W= 

Б) ε = – ,

В) Ф = LI,

1. Как изменится энергия магнитного поля если силу тока в цепи увеличить в 2 раза?

А) не изменится

Б) уменьшится в 2 раза

В) увеличится в 4 раза

1. Как изменится энергия магнитного поля если индуктивность контура уменьшить в 2 раза?

А) уменьшится в 4 раза

Б) увеличится в 2 раза

В) не изменится

Г) уменьшится в 2 раза

Эталоны ответов к заданиям контролирующего материала:

Критерии оценки:

за 4 правильных ответа – «3» балла;

за 5 правильных ответов – «4» балла;

за 6 правильных ответов – «5» баллов.

ЗАДАНИЕ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ ВНЕАУДИТОРНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ

Цель: Определить объем информации для самостоятельной работы студента, обратить внимание на значимые моменты.

Время для выполнения задания: 45 минут.

Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, Н. Н. Соцкий, Физика. 11 класс. Учебник для общеобразовательных учреждений (с приложением на электронном носителе). Базовый и профильный уровни - М.: Просвещение, 2011 г., с. 43-48, параграфы 15-17 прочитать, конспект выучить; с. 50 упр. 2 (4).

Критерии оценки:

• студент выучил конспект – «3» балла;

• студент прочитал параграфы и выучил конспект, владеет информацией из учебника – «4» балла;

• студент выучил конспект, владеет информацией из учебника, выполнил задачу – «5» баллов.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Инфоурок Разработка открытого урока по теме: Самоиндукция. Индуктивность. Энергия магнитного поля тока» [Электронный ресурс]/ Infourok // Режим доступа: https://infourok.ru/kursy/coursePP?doc_dwn=1074634

2. Тест по физике Самоиндукция. Индуктивность [Электронный ресурс]/ Fizmat // Режим доступа http://fizmat.by/kursy/jelektromagnt/samoindukc

3. Физика. 11 класс: Учебник для общеобразоват. учреждений с приложением на электронном носителе: базовый и профильный уровни: [Текст]/ Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, Н.Н. Соцкий.-20-е изд. - М. : Просвещение, 2011. – 399 с.

4. Хостинг документов ученикам и учителям Самоиндукция. Индуктивность. Энергия магнитного поля тока [Электронный ресурс]/ Doc4web // Режим доступа: https://doc4web.ru/fizika/samoindukciya-induktivnost-energiya-magnitnogo-polya-toka.html