Електромагнітна індукція

Мета: ознайомитися із явищем електромагнітної індукції та її основними властивостями.

Illustration

Дослід здійснено за допомогою набору для проведення лабораторних та демонстраційних робіт з курсу електрики та магнетизму EdPro AMPERIA

ПІДГОТОВКА ДО ПРАКТИЧНОГО ЗАНЯТТЯ

1.

Підготуйте необхідне для виконання експериментів обладнання та переконайтеся у його справності.Інформацію про комплектацію набору EdPro Amperia та інструкцію з його використання можна знайти за посиланням: https://amperia.edpro.ua/instruction.

Illustration

котушка

Illustration

гальванометр

Illustration

штабовий магніт

Electromagnet

електромагніт

Power supply unit

джерело струму

Transformer

демонстраційний трансформатор

Switch

однополюсний вимикач

wires

з’єднувальні провідники

2.

Роздрукуйте роздаткові матеріали для учнів відповідно до кількості робочих груп. Набір EdPro Amperia призначений для роботи групи з 4-х учнів.Роздаткові матеріали з лабораторної роботи можна завантажити, натиснувши на кнопку "МАТЕРІАЛИ ДЛЯ УЧНІВ".

3.

Перед початком практичної роботи нагадайте учням основні поняття та закони до цієї теми, а також ознайомте їх з технікою безпеки.

ТЕХНІКА БЕЗПЕКИ

 У випадку неправильного під’єднання провідників у колі може відбутися коротке замикання. Хоча джерело струму EdPro Amperia має програмний захист від короткого замикання, все ж варто уникати такої ситуації. Повний текст рекомендацій з техніки безпеки під час роботи з набором EdPro Amperia доступний за посиланням: https://amperia.edpro.ua/safety.

ОСНОВНІ ПОНЯТТЯ ТА ЗАКОНИ

Правило Ленца

Індукційний струм має такий напрямок, що створене ним індукційне магнітне поле протидіє зміні магнітного поля, яке його спричинило.1. Якщо зовнішнє магнітне поле зростає, індукційне магнітне поле, намагаючись компенсувати зростання, буде направленим йому назустріч.2. Якщо зовнішнє магнітне поле зменшується, індукційне магнітне поле буде направлене в той самий бік, компенсуючи зменшення.

Illustration

Струм, який виникає при зменшенні поля.

Замкнутий виток чи котушка ніяк не реагуватиме на присутність нерухомого магніту.Якщо магніт наближати, котушка згенерує поле, яке буде направлене назустріч полю магніту, і, як наслідок, буде відштовхуватися від нього. Якщо ж віддаляти — генеруватиме поле тієї самої орієнтації та притягуватиметься, буде наздоганяти його.Щоб ефект був помітним, магніт потрібно рухати швидко.

Illustration
Illustration
Illustration

Закон електромагнітної індукції Фарадея

ЕРС індукції, у замкнутому контурі, дорівнює швидкості зміни магнітного потоку Փ. Напрямок ЕРС індукції визначається законом Ленца.Якщо всі величини записати в системі СІ:

Illustration

Для інших систем одиниць формула міститиме коефіцієнт пропорційності, відмінний від одиниці.Наприклад, в СГС він дорівнює 1/с.Для котушки із N витків:

Illustration

Власне, магнітний потік через поверхню — це інтеграл нормальної (перпендикулярної до поверхні) компоненти магнітної індукції по цій поверхні:

Illustration

Для однорідного магнітного поля, потік через плоску поверхню:

Illustration
Illustration

Якщо поверхня не є плоскою, то доведеться виконувати інтегрування — розбивати її на маленькі ділянки, які можна вважати плоскими та підсумовувати їх внесок.

Illustration

Геометричний зміст магнітного потоку — Փ є пропорційним до кількості ліній магнітного поля, що пронизують контур.

Illustration

Потік магнітного поля через замкнутий контур дорівнює нулю. Іншими словами — магнітних зарядів не існує.(Гіпотетичний магнітний монополь — магнітний заряд, не вдалося виявити у жодному із досліджень).Одиницею магнітного потоку в системі СІ є вебер, Вб = В⋅с.Прилад для вимірювання магнітного потоку називається флюксометром.

Приклади

Провідник під дією зовнішньої сили рухається із швидкістю V в однорідному магнітному полі, перпендикулярно до ліній магнітної індукції, величина якої B. Разом із всіма іншими елементами кола він формує замкнений контур як на малюнку.

Illustration

У більшості випадків формулювання через зміну потоку є зручнішим.

Нехай, за час Δt він проходить шлях Δx. Тоді площа контуру S за цей час змінюється на lΔx.

Illustration

Де v — швидкість, Δx = vΔtДля такої простої системи отримати той самий результат можна із закону Лоренца. Вважатимемо, що умови такі:- коло розірване;- у провіднику є електрони провідності;- під час руху провідника в магнітному полі на ці електрони діє сила Лоренца, змушуючи електрони рухатися до одного з кінців провідника;- надлишок електронів на одному із кінців провідника та недостача на протилежному створюють електричне поле, яке заважає подальшому руху електронів.Рівновага настає, коли сила Лоренца та електростатична сила зрівноважуються:

Illustration

Тобто, якщо e — заряд електрона, Eе — внутрішнє електричне поле, створене перерозподілом електронів:

Illustration
Illustration

Тоді різниця потенціалів між кінцями провідника довжиною l:

Illustration

Якщо провідник рухається перпендикулярно до ліній магнітного поля:

Illustration

Альтернативно, цей самий результат можна отримати, скориставшись означенням ЕРС. ЕРС — робота сторонніх сил по переміщенню зарядів. Сторонньою силою тут виступає сила Лоренца.

Illustration

Підставляючи вираз для сили Лоренца, отримуємо той самий результат:

Illustration

У більшості випадків формулювання через зміну потоку є зручнішим.

ХІД РОБОТИ З НАБОРОМ AMPERIA

1.

Illustration
Illustration

Під'єднуємо котушку до гальванометра.

2.

Illustration
Illustration

Підносимо магніт до центра котушки.

3.

Illustration
Illustration

Розташовуємо магніт південним полюсом у центрі котушки та швидким рухом витягуємо магніт вздовж осі котушки.

4.

Illustration
Illustration
Illustration

Повторюємо експерименти 2 та 3 для північного полюса магніту.

5.

Illustration
Illustration

Тримаємо магніт нерухомо і швидко наближуємо котушку до його південного полюса.

6.

Illustration
Illustration

Розміщуємо магніт південним полюсом у центрі котушки.Швидким рухом забираємо котушку так, щоб її вісь залишалася паралельною магніту.

7.

Illustration
Illustration
Illustration

Повторюємо експерименти 5 та 6 для північного полюса магніту.

8.

Illustration
Illustration

Під'єднуємо електромагніт до блоку живлення. Визначаємо його полюси за допомогою постійного магніту.

9.

Illustration
Illustration

Повторюємо експерименти 2, 3 і 4 з електромагнітом із увімкнутим струмом.

10.

Illustration
Illustration

Розташовуємо електромагніт із вимкненим живленням північним полюсом в котушці та вмикаємо живлення.
Не змінюючи положення котушки та електромагніту, вимикаємо живлення.

11.

Illustration
Illustration

Повторюємо експерименти з пункту 10, помістивши в котушку південний полюс електромагніту.

ХІД РОБОТИ З НАБОРОМ AMPERIA
Додаткові завдання

1.

Illustration
Illustration

Під’єднуємо трансформатор без осердя однією обмоткою до джерела живлення, іншою — до гальванометра.

2.

Illustration
Illustration

Встановлюємо напругу 3—5 В, чекаємо кілька секунд та швидко розмикаємо коло.

3.

Illustration
Illustration

Відновлюємо коло та повторюємо експеримент з пункту 2.

4.

Illustration
Illustration

Вставляємо у трансформатор осердя (або складаємо аналогічне коло з використанням трансформатора з осердям) та повторюємо експерименти для кола із трансформатором з осердям.

Illustration
Illustration

Швидко розмикаємо коло та спостерігаємо за стрілкою гальванометра.

Illustration
Illustration

Швидко замикаємо коло та спостерігаємо за стрілкою гальванометра.

Зверніть увагу!Приклади зібраних електричних кіл з використанням компонентів EdPro Amperia та показники на приладах у цьому розділі надані лише в якості ілюстрації, а не як критерій правильності виконання експерименту. Може бути декілька правильних способів зібрати електричне коло за схемою (з перестановками елементів кола, різними варіантами підключення магнітних з'єднань провідників тощо).Рекомендуємо давати учням лише формальну постановку задачі та можливість знайти власний варіант її практичного розв'язку.

Illustration

Найпростіше електричне коло

Illustration

Провідники та діелектрики

Illustration

Залежність сили струму від напруги на ділянці кола та від опору цієї ділянки. Закон Ома для ділянки кола постійного струму

Illustration

Вимірювання опору провідника за допомогою вольтметра та амперметра

Illustration

Гальванічний елемент

Illustration

Послідовне з’єднання провідників

Illustration

Паралельне з'єднання провідників

Illustration

Залежність опору від матеріалу, довжини та площі перерізу провідника

Illustration

Взаємодія електромагніту з постійним магнітом

Illustration

Електромагнітна індукція

Illustration

Явище самоіндукції

Illustration

Вимірювання ЕРС і внутрішнього опору джерела струму

Illustration

Дослід Ерстеда з магнітною стрілкою

Illustration

Принцип дії трансформатора

Illustration

Вольт-амперна характеристика напівпровідникового діода

Illustration

Конденсатор. Збереження електричної енергії, заряджання та розряджання конденсатора