Задачи на правило ленца решу егэ

Всего: 13    1–13

Добавить в вариант

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

Всего: 13    1–13

Пройти тестирование по этим заданиям
Вернуться к каталогу заданий

Версия для печати и копирования в MS Word

Пройти тестирование по этим заданиям

Закон электромагнитной индукции, или закон Фарадея – основной закон электродинамики. В сегодняшней статье разберем решение нескольких задач на применение закона электромагнитной индукции.

Подписывайтесь на наш телеграм – там есть не только задачи, но и много интересного для учащихся всех специальностей. А еще, не пропустите приятные скидки и акции на нашем втором канале!

Электромагнитная индукция: задачи с решением

Прежде чем решать задачи на электромагнитную индукцию, вспомните теорию и держите под рукой полезные формулы.

Не знаете, как подступиться к задаче? Держите универсальную памятку по решению абсолютно любых физических задач.

Задача №1 на закон электромагнитной индукции

Условие

Проводник, свитый в 5 витков, находится в магнитном поле. Магнитный  поток через поверхность витка изменяется по закону Фt=50-3t (Вб) . Определить направление и силу индукционного тока в проводнике, если его сопротивление равно 5 Ом.

Решение

Согласно основному закону электромагнитной индукции в проводнике возникает ЭДС индукции, величина которой определяется скоростью изменения магнитного потока, пронизывающего контур:

ε=-NdФdt

Индукционный ток в проводнике можно найти по закону Ома:

I=εR

Вычислим производную и найдем ток:

dФdt=d50-3tdt=-3

Тогда:

I=3NR=3·55=3 А

Уменьшение потока вызывает увеличение ЭДС, то есть направления потока и поля индукционного тока совпадают:

Ответ: 3 А.

Задача №2 на закон электромагнитной индукции

Условие

По катушке индуктивностью L=8 мкГн течет ток I=6 А. Определить среднее значение ЭДС самоиндукции, возникающей в контуре, если сила тока изменяется практически до нуля за время ∆t=5 мс.

Решение

По определению, магнитный поток равен:

Ф=L·I

ЭДС самоиндукции определим по закону Фарадея:

<ε>=∆Ф∆t=-L∆I∆t

Учитывая, что индуктивность неизменна, и магнитный поток изменяется только за счёт изменения силы тока до нуля (ΔI = I), можно записать:

<ε>=-LI∆t

Подставим числа и вычислим:

<ε>=-8·10-6·65·10-3=-9,6·10-3 В

Ответ: -9,6 мВ.

Задача №3 на закон электромагнитной индукции

Условие

Магнитный поток через контур проводника сопротивлением 0,04 Ом за 3 секунды изменился на 0,013 Вб. Найдите силу тока в проводнике, если изменение потока происходило равномерно.

Решение

В данном случае силу тока можно выразить через закон Ома с учетом закона электромагнитной индукции:

Ii=εiR=-∆Ф∆t1R

Подставляем значения и вычисляем:

Ii=0,0133·0,04=0,11 А.

Ответ: 0,11 А.

Задача №4 на закон электромагнитной индукции

Условие

Прямой проводящий стержень длиной 40 см находится в однородном магнитном поле с индукцией 0,1 Тл. Концы стержня замкнуты гибким проводом, находящимся вне поля. Сопротивление всей цепи 0,5 Ом. Какая мощность потребуется для равномерного перемещения стержня перпендикулярно линиям магнитной индукции со скоростью 10 м/с?

Решение

Если стержень будет двигаться равномерно, магнитный поток через площадь, «заметаемую» стержнем за некоторое время, будет равен:

Ф=ВS=Blvt

При этом разность потенциалов на стержне будет равна ЭДС и, согласно закону электромагнитной индукции Фарадея:

U=dФdt=Blv

Искомая мощность будет равна мощности, выделяемой на сопротивлении:

P=U2R=Blv2R=0,1·0,4·1020,5=0,32 Вт

Ответ: 0,32 Вт.

Нужно больше задач на мощность? Читайте наш блог!

Задача №5 на закон электромагнитной индукции

Условие

В проволочное кольцо, присоединенное к баллистическому гальванометру, вставили прямой магнит. При этом по цепи прошел заряд q=50мкКл. Определить изменение магнитного потока через кольцо, если сопротивление цепи гальванометра R=10 Oм.

Решение

По закону Фарадея, ЭДС находится как отношения изменения магнитного потока ко времени, за которое оно произошло:

εi=∆Ф∆t∆Ф=εi·t

C другой стороны, по закону Ома, можно записать:

εi=IR

Ток, в свою очередь, равен отношению проходящего заряда ко времени:

I=∆Q∆t

C учетом всего этого выражения для ЭДС и потока можно переписать:

εi=R·∆Q∆t∆Ф=  R∆Q∆t∆t=R∆Q∆Ф=10·50·10-6=5·10-4 Вб

Ответ: 0,5 мВб.

Вопросы на тему «Электромагнитная индукция»

Вопрос 1. Что такое электромагнитная индукция?

Ответ. Электромагнитная индукция — это явление, когда в замкнутом проводнике (контур, рамка) возникает ток, при помещении этого проводника в изменяющееся магнитное поле.

Вопрос 2. Что такое магнитный поток?

Ответ. Магнитный поток, или поток магнитной индукции через какую-то поверхность – это скалярная физическая величина, равна произведению модуля магнитной индукции на площадь данной поверхности и косинус угла между вектором индукции и нормалью к поверхности.

Ф=BScosα

Магнитный поток характеризует густоту силовых линий магнитного поля, пронизывающих поверхность. Единица измерения – Вебер.

Вопрос 3. Сформулируйте закон Фарадея

Ответ. Закон электромагнитной индукции Фарадея гласит:

ЭДС индукции в замкнутом контуре равна скорости изменения магнитного потока, пронизывающего контур, взятой с противоположным знаком.

εi=-dФdt

Вопрос 4. Что означает знак «-» в формуле для закона электромагнитной индукции.

Ответ. Направление индукционного тока определяется по правилу Ленца: индукционный ток всегда имеет такое направление, что он ослабляет действие причины, возбуждающей этот ток. В соответствии с правилом Ленца ток направлен так, что созданный им магнитный поток противодействует изменению внешнего магнитного потока. Именно поэтому в формуле присутствует знак «-».

Вопрос 5. Как закон Фарадея применяется на практике?

Ответ. Закон электромагнитной индукции Фарадея нашел широчайшее применение. В качестве самого распространенного примера можно привести такое устройство, как электродвигатель, принцип действия которого основан именно на этом законе.

Нужна помощь в решении задач и других заданий по учебе? Профессиональный сервис для студентов всегда поспособствует качественному выполнению всех работ.

Содержание:

Электромагнитная индукция:

Неоценимая заслуга в изучении явления электромагнитной индукции принадлежит известному английскому физику М. Фарадею — непревзойденному мастеру проведения физического эксперимента.

Фарадей Майкл (1791-1867) — выдающийся английский физик, основоположник учения об электромагнитном поле, один из основателей электрохимии, исследователь взаимодействия вещества и магнитного поля.

Обнаружение в 1820 г. датским физиком X. Эрстедом связи магнитного поля с электрическим током положило начало фундаментальным исследованиям открытого явления. Обладая широким научным кругозором, выдающийся физик и исследователь М. Фарадей предусмотрел возможность обратной связи магнитного поля и электрического тока, когда появление магнитного поля приводит к возникновению электрического тока. В результате длительных научных поисков он в 1821 г. получил первые положительные результаты: добился того, что в замкнутых проводниках, находящихся в переменном магнитном поле, возникал электрический ток. Явление получило название электромагнитной индукции, а ток, возникающий в проводниках, назвали индукционным.

Явление возникновения электрического тока в замкнутом проводнике, который расположен в переменном магнитов ном поле, называется электромагнитной индукцией.

Опишем основные опыты М. Фарадея, которые можно повторить и на школьном оборудовании.
C клеммами гальванометра соединим длинный проводник, пасть которого укреплена в штативе.

Постоянный подковообразный магнит сначала будем приближать к проводнику, а потом удалять от него (рис. 2.26). При этом увидим, что стрелка гальванометра будет отклоняться сначала в одну сторону, потом в противоположную.

Изменим условия опыта. Укрепим теперь подковообразный магнит в лапках штатива, а проводник, присоединенный к клеммам гальванометра, будем вводить в между полюсное пространство и выводить из него (рис. 2.27). Стрелка гальванометра также будет отклоняться сначала в одну, а потом в противоположную сторону.

Pиc. 227. Опыт с движущимся проводником

Видоизменим опыт. Одну из катушек присоединим к клеммам гальванометра, а вторую включим в электрическую цепь, состоящую из источника постоянного тока и выключатели. Замкнув цепь второй катушки, будем приближать ее к первой катушке (рис. 2.28). Отклонение стрелки гальванометра засвидетельствует появление тока в цепи первой катушки. Направление этого тока изменится, если вторую катушку удалять от первой. При неподвижных катушках ток будет отсутствовать.

Рис. 228. Опыт с движущейся катушкой с током

Разместив вторую катушку неподвижно на первой, начнем замыкать и размыкать цепь второй катушки (рис. 2.29). Когда цепь будет замыкаться, стрелка гальванометра отклонится в одну сторону. При размыкании стрелка отклонится в противоположную сторону.

Pиc. 229. Замыкание и размыкание цепи второй катушки

Изменим условия последнего опыта. Включим в цепь второй катушки реостат и снова замкнем цепь. Когда стрелка остановится на нулевом делении, начнем изменять силу тока, перемещая ползунок реостата (рис. 2.30).

Рис. 230. Сила тока в катушке изменяется с помощью реостата

При увеличении силы тока в цепи первой катушки стрелка гальванометра будет отклоняться в одну сторону. При уменьшении силы тока отклонение стрелки будет противоположным.

После этого, не изменяя положения катушек и не разрывая цепи второй катушки, введем в катушки стальной стержень (рис. 2.31). Стрелка и в этом случае отклонится от положения равновесия и возвратится в начальное положение. Во время вынимания стержня из катушки заметим, что стрелка гальванометра отклоняется в противоположную сторону.

Pиc. 231. Опыт, когда движется стальной стержень

Электрический ток, возникающий в замкнутом проводнике в изменяющемся магнитном поле, называют индукционным.

Результаты всех опытов свидетельствуют, что при любом изменении магнитного поля или движении замкнутого проводника в магнитном поле возникает электрический ток. Его направление зависит от характера изменения магнитного поля: при увеличении магнитной индукции ток имеет одно направление, при уменьшении — противоположное.

На практике направление тока в проводнике, который возникает вследствие электромагнитной индукции, определяют по правилу правой руки (рис. 2.32): если правую руку разместить в поле так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, а отставленный большой палец показывал направление движения проводника, то вытянутые пальцы руки покажут направление тока в проводнике.

Рис. 2.32 Правило правой руки

Чтобы ток в проводниках протекал длительное время, необходимо, чтобы все это время существовала разность потенциалов. А это возможно при непрерывном движении проводника. При этом будет происходить разделе ние в проводнике положительно и отрицательно заряженных частиц под действием силы Лоренца, которая имеет неэлектростатическое происхождение. Это приводит к возникновению ЭДС индукции.

Определим способ рассчета ЭДС, для случая, когда прямой проводник, который является частью электрической цепи, равномерно движется в магнитном поле. Вызванное силой Лоренца движение заряженных частиц образует электрический ток, а в это время на него в магнитном поле будет действовать сила Ампера (рис. 2.33):

где В — модуль вектора магнитной индукции; I — сила тока в проводнике; l длина проводника; — угол между направлением тока в проводнике и вектором магнитной индукции.

Возникающий ток в проводнике всегда будет иметь направление, при котором сила Ампера «тормозит» движение проводника. Чтобы проводник двигался равномерно (условие существования электрического тока), к нему нужно приложить силу, которая по модулю равна силе Ампера, а по направлению противоположна:


Рис. 2.33. К объяснению ЭДС индукции

Если за определенное время △t проводник сместится па △s, то работа будет равна

Таким образом,

Приняв во внимание, что по определению сила тока равна  а ЭДС равна . И произведя определенные математические преобразования, получим

Таким образом, для случая, когда проводник движется равномерно в однородном магнитном поле, значение ЭДС индукции зависит от магнитной индукции поля, длины
прямого проводника и скорости его движения в магнитном поле, учитывая значение угла между  и .

Правило Ленца

Правило установлено известным русским физиком Э.Х. Ленцем как обобщение многочисленных опытов по определению направления индукционного тока. C этой целью Э.Х. Ленц исследовал взаимодействие замкнутого проводника и переменного магнитного поля, которое вызвало индукционный ток в этом проводнике.

Чтобы лучше понять сущность этого правила, рассмотрим опыт.
На легком горизонтальном рычаге, который имеет вертикальную ось вращения, находятся два легких металлических кольца, одно из которых сплошное, я второе разрезано (рис. 2.35). Рычаг посажен на тонкое стальное острие так, чтобы трение было минимальным.
 

Pиc. 235. Прибор для демонстрации правила Ленца

Введем в сплошное кольцо катушку с ферромагнитным сердечником (электромагнитом), включенным в электрическую цепь из источника тока и выключателя (рис. 2.36).

Рис. 236. К правилу Ленца

В момент .замыкания цепи кольцо, как бы отталкиваясь от катушки, сместится на определенное расстояние и развернет рычаг на некоторый угол.

В момент появления тока в электромагните электропроводное кольцо, находящееся возле полюса электромагнита, всегда — притягивается к нему.

Если опыт повторить, изменив направление тока в катушке, то будем наблюдать тот же эффект. Таким образом, определяющим в данном случае является не направление магнитной индукции, а характер изменения магнитной индукции.

Если опыт попытаться пронести с разрезанным кольцом, то подобного эффекта наблюдать не сможем. Это свидетельствует, что отталкивание кольца связано с индукционным током, который возникает в сплошном кольце.

При размыкании цепи питания электромагнита проводящее кольцо будет двигаться от него.

Чтобы разобраться в дальнейших рассуждениях, необходимо вспомнить, что параллельные проводники, в которых ток проходит в одном направлении, притягиваются, а в противоположных отталкиваются. Таким образом, если кольцо отталкивается от катушки, то в нем индуцируется ток, противоположный току в катушке по направлению.

Взаимно противоположными будут и магнитные индукции полей этих токов.

Обобщив результаты опытов, можно сделать выводы, к которым пришел Э.Х. Ленц: магнитное поле индукционного тока всегда противодействует изменениям, которые вызвали этот так.

Правило Ленца: индукционный ток в замкнутом проводнике имеет такое направление, что его магнитное поле компенсирует изменение магнитного поля, которое вызвало этот ток.

Магнитный поток

Электромагнитную индукцию можно наблюдать в двух случаях: когда проводник движется в однородном магнитном поле или неподвижный проводник находится и магнитном поле, магнитная индукция которого изменяется со временем. Нa практике, как правило, случается так, что одновременно изменяется магнитная индукция и положение проводника в магнитном поле. Примером может быть движение проводника в неоднородном магнитном поле. Так как в этом случае расчеты сложнее» для их упрощения ввели физическую величину, которая одновременно зависит и от индукции магнитного поля, и от параметров движения проводника. Эта величина получила название магнитного потока.

Представим себе проводник в виде замкнутого кольца, которое находится в магнитном поле (рис. 2.38-а). Приведем кольцо в движение так, чтобы оно двигалось в плоскости, перпендикулярной к линиям магнитного поля. При этом количество линий индукции магнитного поля, которые проходят через него, будет уменьшаться, и в кольце возникнет индукционный ток (рис. 2.38-б).

Pис. 238. Движение кольца в магнитом поле

Если теперь кольцо проводника поместить в магнитное поле, индукция которого изменяется, то количество линий магнитной индукции, которые проходят через контур, также будет изменяться и в проводнике возникнет индукционный ток (рис. 2.39).

Pиc. 239. Изменение магнитного потока через кольцо

Оба описанных случая можно объяснить проще, если для каждого их них учитывать произведение площади кольца на значение магнитной индукции магнитного поля. Именно это произведение изменялось в обоих случаях. Фактически это произведение характеризовало поток линий магнитной индукции, которые пронизывают контур определенной площади, или просто — магнитный поток.

Магнитный поток Ф зависит не только от модуля магнитной индукции и площади контура, но и от угла, который образуют нормаль с плоскостью контура и вектором магнитной индукции поля (рис. 2.40). Поэтому в общем виде значении магнитного потока записывается как

где Ф — магнитный поток; В — модуль магнитной индукции поля; — угол между нормалью к плоскости контура и вектором магнитной индукции.

Величина, которая описывает магнитное поле и равна произведению магнитной индукции на площадь замкнутого контура и косинус угла (между вектором магнитной индукции и нормалью к контуру), называется магнитным потоком, или потоком магнитной индукции.

Анализ формулы показывает, что минимальное значение магнитного потока (Ф = 0) будет тогда, когда = 90º, т. е. плоскость контура параллельна линиям магнитного поля. Если = 0, то магнитный поток при всех равных условиях будет максимальным (Ф = BS).

Магнитный поток — скалярная величина. В СИ магнитный поток измеряется в веберах (Вб), на честь известного немецкого физика В. Вебера.

Если магнитная индукция магнитного поля 1 Тл, а площадь контура, сквозь который проходит магнитный поток, 1 м², то магнитный поток равен 1 веберу (1 Вб):
1 Вб = 1 Тл • 1 м².

Любые изменения магнитного поля или площади контура вызывают явление электромагнитной индукции.

Вебер Вильгельм Эдуард (1804-1881) — немецкий физик, основные работы посвящены электромагнетизму, работал также над проблемами акустики, теплоты, молекулярной физики, земного магнетизма.

Таким образом, любое изменение магнитного потока обусловливает возникновение электрического тока в замкнутом проводящем контуре. C учетом закона Ома для полной цепи последний вывод можно записать так: любое, изменение. магнитного потока приводит к возникновению ЭДС индукции.

Закон электромагнитной индукции

Проанализировав результаты экспериментальных исследований электромагнитной индукции, можно найти общую формулу для выражения особенностей этого явления, которые отражают сущность закона электромагнитной индукции: при изменении магнитного потоки в замкнутых проводниках возникает электрический ток, вызванный ЭДС индукции, которая пропорциональна скорости изменения магнитного потока:

 или 
где электродвижущая сила индукции; -скорость изменения магнитного потока Ф; k — коэффициент пропорциональности.

Закон электромагнитной индукции: электродвижущая сила индукции пропорциональна скорости изменения магнитного потока.

При использовании единиц СИ коэффициент k = 1. Приняв во внимание, что индукционный ток противодействует изменению магнитного потока (правило Ленца), окончательно имеем:

Так как согласно закону Ома  то можно записать его для случая электромагнитной индукции в виде , где  — сопротивление контура, а r=0.

Заряд, который проходит в контуре вследствие электромагнитной индукции: Q = I∆t.

Учитывая, что заряд скалярная величина, а знак минус можно опустить, получим:

Пример решения задачи №1

Магнитный поток, пронизывающий катушку, которая состоит из 75 витков, равен 4,8 ∙ 10^-3 Вб. На протяжении какого времени исчезнет этот поток, если в катушке индуцируется ЭДС индукции 0,74 В?

Дано: Φl= 4,8 • 103 Вб, Ф2 = 0, N= 75, = 0,74 В.	Решение ЭДС индукции возникает в катушке потому, что магнитный поток, пронизывающий ее, изменяется на △Φ = Φ2 — Φl. В каждом витке катушки при этом будет возникать ЭДС индукции в соответствии с законом ΔΦ электромагнитной индeкции:
∆t — ?

Общая ЭДС будет в N раз больше: . Отсюда:    .
Подставив значения физических величин, получим

Ответ: ток исчезнет через 0,48 с.

Электродинамический микрофон

Одним из примеров практического применения явления электромагнитной индукции является электродинамический микрофон. C помощью этого прибора звуковые колебания превращаются в колебания электрического тока, которые усиливаются при помощи специальных электронных усилителей и используются в быту, научных исследованиях, производстве.

Микрофоны превращают звуковые колебания в электрические.

Обязательной частью электродинамического микрофона является постоянный магнит, изготовленный в виде кольца (рис. 2.41).

К одному из полюсов магнита приклеен цилиндрический стержень 1 из мягкого ферромагнетика (железа). К другому — ферромагнитная пластина 2 из такого же ферромагнетика. В центре этой пластины находится круглое отверстие, которое охватывает стержень. Диаметр отверстия несколько больше диаметра стержня, поэтому между стержнем и пластиной образуется узкая щель 5, в которой сосредоточен весь магнитный поток магнита.

На стержне находится мембрана 3, которая колеблется под действием звуковых волн. К нижней части мембраны приклеена небольшая катушка 4 с некоторым количеством витков изолированного провода. Катушка помещена в кольцевую щель
между полюсами постоянного магнита.

В электродинамическом микрофоне катушка находится в магнитном поле.

Концы катушки соединены гибкими проводниками со специальными клеммами. Если на мембрану микрофона попадают звуковые волны, то она начинает колебаться вместе с катушкой. При колебании катушки магнитный поток, пронизывающий ее, изменяется и в ней индуцируется ЭДС индукции.

В движущейся катушке, находящейся в магнитном поле, возникает ЭДС индукции.

Если катушка включена в цепь электронного усилителя, то электрические колебания усиливаются и могут быть или записаны на магнитный либо оптический диск, или сразу
воспроизведены громкоговорителем.

Принцип действия электродинамического микрофона используется в различных датчиках для изучения и контроля колебательных процессов.

Самоиндукция

Каждый проводник, в котором существует электрический ток, создает «собственное» магнитное поле. Это поле образуется сразу же, как только в проводнике начинает про ходить электрический ток. Если индукция магнитного поля перед замыканием цепи была равна нулю, то через некоторое время после замыкания она будет иметь максимальное значение B, соответствующее силе тока в проводнике. Таким образом, момент возникновения электрического тока можно читать моментом начала изменения магнитного потока. А любое изменение магнитного потока, по закону электромагнитной индукции, порождает вихревое электрическое поле, способствующее появлению ЭДС индукции во всех проводниках,находящихся в магнитном поле.

Явление самоиндукции выявил Д. Генри в 1832 г.

Не может быть исключения и для проводника, который является «источником» этого поля. Вихревое поле создает и в нем ЭДС индукции , которую назвали ЭДС самоиндукции.

Наличие ЭДС самоиндукции можно подтвердить опытом. Для этого составим электрическую цепь из источника тока, выключателя и электрической лампочки (рис. 2.43). При
замыкании цепи лампочка зажигается практически мгновенно. Если же в цепь включить катушку с железным сердечником, то максимальная яркость свечения лампочки устанавливается постепенно (рис. 2.44).

Это является свидетельством того, что ток в цепи увеличивается во мгновенно, а на протяжении некоторого времени. Посмотрев на графики рисунков 2.45 и 2.46, можно сказать, что в цепи, где находится катушка из 100 витков, ток нарастает быстрее, чем в цепи, в которой находится катушка из 1000 витков. На прохождение тока н цепи существенно влияет также ферромагнитный сердечник в катушке (рис. 2.47).

Поскольку ЭДC самоиндукции противодействует ЭДС источники тока, то можно сделать вывод, что ЭДС самоиндукции зависит от характеристик катушки или проводника, включенного в электрическую цепь.

А магнитный поток, создаваемый катушкой или проводником, будет пропорционален силе тока в них: Ф ~ I. Если внести коэффициент пропорциональности, то можно получить более точное соотношение и новую формулу: Ф = L ∙ I. Здесь коэффициент пропорциональности L учитывает электромагнитные свойства катушки (проводника) и называется индуктивностью. Индуктивность определяется формой и размерами проводника, а также магнитными свойствами среды.

Физическую величину, которая характеризует электромагнитные свойства катушки или проводника, называют индуктивностью.

Если при изменении силы тока в проводнике на 1 А за 1 с в нем индуцируется ЭДС самоиндукции 1 В, то этот проводник имеет индуктивность 1 Гн.

В СИ индуктивность измеряют в генри (Гн) в честь известного американского физика Д. Генри.

Единица 1 генри имеет довольно большой размер, поэтому применяют, как правило, долевые единицы:

• 1 миллигенри = 1 мГн = 10^-3 Гн;
• 1 микрогенри = 1 мкГн = 10^-6 Гн.

Если в любом проводнике изменяется электрический ток, то это приводит к изменению магнитного потока ΔΦ — LΔI, которое вызывает ЭДС самоиндукции:

Явление самоиндукции наблюдается также при размыкании цепи c током. Составим цепь из источника тока, выключателя, катушки и лампочки. Лампу накаливания, сопротивление которой значительно меньше сопротивления катушки, включим параллельно катушке (рис. 2.48). Если замкнуть цепь, то накаливание волоска лампочки будет происходить постепенно, как
бы с задержкой. Если после полного загорания лампы разомкнуть ключ, то она ярко вспыхнет. Это будет проявлением самоиндукции. В результате размыкания цепи возникнет ЭДС самоиндукции, которая поддержит ток в цепи лампочки и катушки.

Рис. 2.48. Схема электрической цепи для наблюдения явления самоиндукции при размыкании

Пример решения задачи №2

Определить индуктивность катушки, если сила тока в ней изменяется на 50 А за 1 с и при этом появляется ЭДС самоиндукции 0,08 В.

Дано: ΔI = 50 А, Δt— 1 с, = 0,08 В.	Решение По закону ЭДС самоиндукции Отсюда  Подставив значения физических величин,  получим
L— ?

Ответ: индуктивность катушки 1,6 мГн.

Энергия магнитного поля

Самоиндукция подтверждает действие закона сохранения и превращения энергии в электромагнитных явлениях.

Как известно, вследствие явления самоиндукции при замыкании цепи возникает ЭДС самоиндукции . Если же сила тока не изменяется, ЭДС самоиндукции не возникает. Такое положение в электрической цепи обусловлено тем, что за счет энергии источника тока выполняется работа по компенсации ЭДС самоиндукции. Это аналогично случаю, когда для сообщения скорости неподвижному телу необходимо выполнить определенную работу по преодолению инерции.

Любые изменения силы тока в катушке вызовут появление ЭДС индукции и приведут к выполнению работы источником тока для компенсации ее действия. Эта работа равна энергии магнитного поля катушки или проводника.

Для компенсации ЭДС самоиндукции источник тока выполнит работу по перемещению заряженных частиц, общий заряд которых равен Q. Приняв во внимание, что, и то, что , получим значение выполненной работы для явления самоиндукции:

ЭДС самоиндукции зависит от индуктивности проводника и скорости изменения силы тока в нем.

При этом сила тока в цепи изменяется от пуля до I_max которое равно I₀. По определению Q=IΔt.

Поскольку при замыкании цепи сила тока не имеет постоянного значения, то для упрощения расчетов будем считать,что сила тока линейно изменяется на протяжении всего времени. Тогда сила тока
Таким образом,

Изменение силы тока ΔI за интервал времени Δt равно I₀.

Работа, выполненная источником тока, равна энергии магнитного поля катушки с током:

Энергия магнитного поля катушки с током пропорциональна индуктивности катушки и квадрату силы тока в ней.

Электромагнитная индукция

Явление электромагнитной индукции

Электромагнитная индукция – явление возникновения тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего его.

Явление электромагнитной индукции было открыто М. Фарадеем.

Опыты Фарадея

• На одну непроводящую основу были намотаны 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.
• Первая катушка была подключена к источнику тока, вторая, подключенная к гальванометру, перемещалась относительно нее. При приближении или удалении катушки фиксировался ток.
• Катушка замкнута на гальванометр, а магнит движется – вдвигается (выдвигается) – относительно катушки.

Опыты показали, что 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.

Объяснения возникновения индукционного тока

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.

Электроны в неподвижном проводнике могут приводиться в движение только электрическим полем. Это электрическое поле порождается изменяющимся во времени магнитным полем. Его называют вихревым электрическим полем. Представление о вихревом электрическом поле было введено в физику великим английским физиком Дж. Максвеллом в 1861 году.

Свойства вихревого электрического поля:

• источник – переменное магнитное поле;
• обнаруживается по действию на заряд;
• не является потенциальным;
• линии поля замкнутые.

Работа этого поля при перемещении единичного положительного заряда по замкнутому контуру равна ЭДС индукции в неподвижном проводнике.

Магнитный поток

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 ​( alpha )​ между направлением вектора магнитной индукции и вектора нормали (перпендикуляра к плоскости данной поверхности):

Обозначение – ​( Phi )​, единица измерения в СИ – вебер (Вб).

Магнитный поток в 1 вебер создается однородным магнитным полем с индукцией 1 Тл через поверхность площадью 1 м², расположенную перпендикулярно вектору магнитной индукции:

Магнитный поток можно наглядно представить как величину, пропорциональную числу магнитных линий, проходящих через данную площадь.

В зависимости от угла ​( alpha )​ магнитный поток может быть положительным (( alpha ) < 90°) или отрицательным (( alpha ) > 90°). Если ( alpha ) = 90°, то магнитный поток равен 0.

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.

Закон электромагнитной индукции Фарадея

Закон электромагнитной индукции (закон Фарадея):

ЭДС индукции в замкнутом контуре равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром:

Знак «–» в формуле позволяет учесть направление индукционного тока. Индукционный ток в замкнутом контуре имеет всегда такое направление, 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 ЭДС индукции:

Сила индукционного тока в замкнутом проводящем контуре с сопротивлением ​( R )​:

При движении проводника длиной ​( l )​ со скоростью ​( v )​ в постоянном однородном магнитном поле с индукцией ​( vec{B} )​ ЭДС электромагнитной индукции равна:

где ​( alpha )​ – угол между векторами ​( vec{B} )​ и ( vec{v} ).

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.

Важно!
Изменение магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур, может происходить по двум причинам:

• 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;
• 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. 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

Направление индукционного тока определяется по правилу Ленца: 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.

Алгоритм решения задач с использованием правила Ленца:

• определить направление линий магнитной индукции внешнего магнитного поля;
• выяснить, как изменяется магнитный поток;
• определить направление линий магнитной индукции магнитного поля индукционного тока: если магнитный поток уменьшается, то они сонаправлены с линиями внешнего магнитного поля; если магнитный поток увеличивается, – противоположно направлению линий магнитной индукции внешнего поля;
• по правилу буравчика, зная направление линий индукции магнитного поля индукционного тока, определить направление индукционного тока.

Правило Ленца имеет глубокий физический смысл – оно выражает закон сохранения энергии.

Самоиндукция

Самоиндукция – это явление возникновения ЭДС индукции в проводнике в результате изменения тока в нем.

При изменении силы тока в катушке происходит изменение магнитного потока, создаваемого этим током. Изменение магнитного потока, пронизывающего катушку, должно вызывать появление ЭДС индукции в катушке.

В соответствии с правилом Ленца ЭДС самоиндукции препятствует нарастанию силы тока при включении и убыванию силы тока при выключении цепи.

Это приводит к тому, что при замыкании цепи, в которой есть источник тока с постоянной ЭДС, сила тока устанавливается через некоторое время.

При отключении источника ток также не прекращается мгновенно. Возникающая при этом ЭДС самоиндукции может превышать ЭДС источника.

Явление самоиндукции можно наблюдать, собрав электрическую цепь из катушки с большой индуктивностью, резистора, двух одинаковых ламп накаливания и источника тока. Резистор должен иметь такое же электрическое сопротивление, как и провод катушки.

Опыт показывает, что при замыкании цепи электрическая лампа, включенная последовательно с катушкой, загорается несколько позже, чем лампа, включенная последовательно с резистором. Нарастанию тока в цепи катушки при замыкании препятствует ЭДС самоиндукции, возникающая при возрастании магнитного потока в катушке.

При отключении источника тока вспыхивают обе лампы. В этом случае ток в цепи поддерживается ЭДС самоиндукции, возникающей при убывании магнитного потока в катушке.

ЭДС самоиндукции ​( varepsilon_{is} )​, возникающая в катушке с индуктивностью ​( L )​, по закону электромагнитной индукции равна:

ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна индуктивности катушки и скорости изменения силы тока в катушке.

Индуктивность

Электрический ток, проходящий по проводнику, создает вокруг него магнитное поле. Магнитный поток ​( Phi )​ через контур из этого проводника пропорционален модулю индукции ​( vec{B} )​ 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:

Индуктивность – коэффициент пропорциональности ​( L )​ между силой тока ​( I )​ в контуре и магнитным потоком ​( Phi )​, создаваемым этим током:

Индуктивность зависит от размеров и формы проводника, от магнитных свойств среды, в которой находится проводник.

Единица индуктивности в СИ – генри (Гн). Индуктивность контура равна 1 генри, если при силе постоянного тока 1 ампер магнитный поток через контур равен 1 вебер:

Можно дать второе определение единицы индуктивности: элемент электрической цепи обладает индуктивностью в 1 Гн, если при равномерном изменении силы тока в цепи на 1 ампер за 1 с в нем возникает ЭДС самоиндукции 1 вольт.

Энергия магнитного поля

При отключении катушки индуктивности от источника тока лампа накаливания, включенная параллельно катушке, дает кратковременную вспышку. Ток в цепи возникает под действием ЭДС самоиндукции.

Источником энергии, выделяющейся при этом в электрической цепи, является магнитное поле катушки.

Для создания тока в контуре с индуктивностью необходимо совершить работу на преодоление ЭДС самоиндукции. Энергия магнитного поля тока вычисляется по формуле:

Основные формулы раздела «Электромагнитная индукция»

Алгоритм решения задач по теме «Электромагнитная индукция»:

1. Внимательно прочитать условие задачи. Установить причины изменения магнитного потока, пронизывающего контур.

2. Записать формулу:

• закона электромагнитной индукции;
• ЭДС индукции в движущемся проводнике, если в задаче рассматривается поступательно движущийся проводник; если в задаче рассматривается электрическая цепь, содержащая источник тока, и возникающая на одном из участков ЭДС индукции, вызванная движением проводника в магнитном поле, то сначала нужно определить величину и направление ЭДС индукции. После этого задача решается по аналогии с задачами на расчет цепи постоянного тока с несколькими источниками.

3. Записать выражение для изменения магнитного потока и подставить в формулу закона электромагнитной индукции.

4. Записать математически все дополнительные условия (чаще всего это формулы закона Ома для полной цепи, силы Ампера или силы Лоренца, формулы кинематики и динамики).

5. Решить полученную систему уравнений относительно искомой величины.

6. Решение проверить.