Главные вкладки
ФИЗИКА 11 класс
Предварительный просмотр:
Подписи к слайдам:
Содержание
Майкл Фарадей (1791-1867) Основоположник учения об электромагнитном поле. Он ввел понятия «Электрическое» и «Магнитное поле», предположил, что существуют электромагнитные волны. В 1821 году Фарадей задался целью «Превратить магнетизм в электричество», а через 10 лет, в 1831, ему это удалось.
Опыт Фарадея Постоянный магнит вставляют в катушку, замкнутую на гальванометр, или вынимают из нее. При движении магнита в контуре возникает электрический ток. Фарадей заметил, что индукционный ток возникает при изменении числа линий магнитной индукции, пронизывающих катушку.
Аналогичный результат будет в случае перемещения электромагнита, по которому пропускают постоянный ток, относительно первичной катушки или при изменении тока в неподвижной вторичной катушке. Опыт Фарадея
Магнитный поток Когда плоскость контура перпендикулярна В, то магнитный поток через контур равен BS Число пронизывающих контур линий магнитной индукции пропорционально cos α , где α – угол между В и перпендикуляром к плоскости контура
Важно различать! Векторная физическая величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля. Явление возникновения электрического тока в проводящем контре при изменении магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром. Магнитная индукция Электромагнитная индукция
Электромагнитная индукция Электромагнитная индукция - возникновения электрического индукционного тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока через ограниченную контуром площадь. Вывод из опытов Фарадея: Индукционный ток в замкнутом контуре возникает при изменении магнитного потока через площадь, ограниченную контуром
Возникновение инд укционного тока при движении контура в магнитном поле Пусть один из проводников контура вектору магн.инд., а его скорость и проводнику, и вектору магн.инд. Свободные заряды в проводнике движутся вместе с ним, и на них действует силаЛоренца, которую находим по правилу левой руки. В данном случае она направлена вдоль проводника и вызывает индукционный ток
Возникновение инд укционного тока в неподвижном контуре в переменном магн итном поле В этом случае силы Лоренца нет, а изменение магн.потока через контур происходит тогда, когда магн.поле изменяется во времени. Возникновение инд.тока в неподвижном проводнике можно объяснить тем, что на свободные заряды действует сила со стороны электрического поля. Следовательно, переменное магнитное поле порождает электрическое поле
Переменное магнитное поле порождает Вихревое электрическое поле действует на Свободные заряды в контуре приходят в движение Индукционный ток
Вихревое электрическое поле Вихревое поле – электрическое поле, созданное переменным магнитным полем. Всегда возникает при изменении магнитного поля. В отличие от электростатического поля: Линии напряженности эл ектрического поля, созданного переменным магнитным полем, замкнуты. При перемещении заряда по замкнутому контуру вихревое эл ектрическое поле совершает над ним работу.
Вихревое электрическое поле
Закон электромагнитной индукции Сторонние силы действуют на свободные заряды, если в замкнутом контуре возникает индукционный ток. Они характеризуются электродвижущей силой. По закону Ома для полной цепи: - сила инд.тока - полное сопротивление замкнутого контура Закон электромагнитной индукции: ЭДС индукции в замкнутом контуре равна модулю скорости изменения магнитного потока, пронизывающего этот контур
Кто открыл явление электромагнитной индукции? X . Эрстед Ш.Кулон А.Ампер М.Фарадей
Каким из приведенных ниже выражений определяется магнитный поток? Bscos α qvBI qvBsin α IBlsina
Чем вихревое поле отличается от электростатического? Линии вихревого эл.поля закручены по спирали Линии вихревого эл.поля замкнуты Ничем не отличаются Вихревое поле не совершает работу по перемещению заряда
Переменное магнитное поле порождает… Постоянное магнитное поле Электростатическое поле Электрическое поле Гравитационное поле
Индукционный ток в замкнутом контуре возникает при… Изменении магнитного потока через площадь, ограниченную контуром Отсутствие магнитного потока через площадь, ограниченную контуром Существование магнитного потока через площадь, ограниченную контуром Среди ответов нет верного
Электрическое поле, созданное переменным магнитным полем - Вихревое Штормовое Кольцевое Турбулентное
Тест «Электромагнитная индукция» http://www.schooltests.ru/
Список используемых сайтов: http://e-science.ru/physics/theory/?t=35 - Портал Естественных Наук http://www.nvtc.ee/e-oppe/Baksejeva/elmagn/_1.html http://www.schooltests.ru/ - ш КОЛЬНЫЕ ТЕСТЫ
Предварительный просмотр:
Подписи к слайдам:
Основные формулы Магнитный поток Ф через плоский контур площадью S : а) в случае однородного поля Ф = BS cos = B n S , где - угол между вектором нормали к плоскости контура и вектором магнитной индукции; B n – проекция вектора В на нормаль n ( B n = B cos ); Потокосцепление, т.е. полный магнитный поток = N Ф , где Ф – магнитный поток через один виток; N – число витков. Работа по перемещению замкнутого контура с током I в магнитном поле определяется соотношением A = I Ф , где Ф – изменение магнитного потока, пронизывающего поверхность, ограниченную контуром. Основной закон электромагнитной индукции (закон Фарадея-Максвелла )
где i – ЭДС индукции, возникающая в контуре; d Ф / dt – скорость изменения магнитного потока, N – число витков контура; - потокосцепление ( = N Ф ). Разность потенциалов U на концах проводника длиной l , движущегося со скоростью υ в однородном магнитном поле с индукцией В , выражается формулой U = Blυ sin , где - угол между направлениями векторов v и B . Заряд, протекающий по замкнутому контуру при изменении на величину потокосцепления, пронизывающего все витки контура, выражается формулой q = / R , где R – сопротивление контура. Индуктивность контура L = / I . ЭДС самоиндукции где - скорость изменения силы тока.
Индуктивность соленоида L = 0 n 2 l S , где l – длина соленоида, S – площадь его поперечного сечения; n – число витков на единицу его длины. ЭДС взаимной индукции где - коэффициент взаимной индукции. Магнитная энергия W контура с током I W = LI 2 /2, где L – индуктивность контура. Объемная плотность энергии w 0 однородного магнитного поля w 0 = BH /2 = 0 H 2 /2 = B 2 /(2 0 ).
Примеры решения задач Пример 1. Магнитный момент соленоида 2 А∙м 2 . Найти поток магнитной индукции сквозь соленоид. Длина соленоида равна 30 см. Дано: p m = 2 А × м 2 ; m = 1 ; l = 30 см = 0,3 м Ф = ? Решение Магнитный момент соленоида складывается из магнитных моментов каждого витка p i = I S , где I - сила тока в обмотке, S - площадь поперечного сечения соленоида: p m = N I S (1) Из определения потока Ф вектора магнитной индукции В Ф = B S = m 0 mI S N . (2) Используя (1) и (2), получаем: Ф = m 0 p m / l =4 p 10 -7 × 2/0,3 = 8,37 × 10 -6 Вб . Ответ : Ф = 8,37 мВб .
Пример 2. Сила тока в соленоиде изменяется по закону I = 20 t – t 3 . Индуктивность соленоида 5 Гн. Какая ЭДС самоиндукции будет в соленоиде через 2 с? Дано : I = 20 t – t 3 ; t = 2 c; L = 5 Гн e инд = ? Решение Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея e инд = - d Ф/ dt Из определения индуктивности магнитного контура Ф = L I , где I – сила тока в контуре, а L – его индуктивность. Тогда e инд = - L dI / dt = L (20 – 3 t 2 ) = 5(20 - 3∙2 2 ) = 40 B . Ответ : e инд = 40 В.
Пример 3. Скат плывет горизонтально со скоростью 2 м/с. Определить разность потенциалов, возникающую между концами боковых плавников рыбы, если вертикальная составляющая индукции магнитного поля Земли равна 5 10 –5 Тл. Ширина рыбы 30 см. Дано: v = 2 м/с; l = 30 см = 0,3 м; B ^ = 5 ×10 -5 Тл U = ? Решение При движении ската пересекаются силовые линии магнитного поля Земли; при этом за время dt рыба проходит путь dx и происходит изменение магнитного потока d Ф = B ^ d S = B ^ l dx = B ^ l v dt На концах боковых плавников возникает разность потенциалов согласно закону электромагнитной индукции: U = | e инд | = d Ф/ dt = B ^ l v = 5 × 10 -5 × 0,3 × 2 = 30 мкВ. Ответ: U = 30 мкВ .
Пример 4. При индукции магнитного поля 0,1 Тл плотность энергии магнитного поля в железе 10 Дж/м 3 . Какова относительная магнитная проницаемость железа при этих условиях и величина напряженности магнитного поля? Дано: B = 0,1 Тл; w = 10 Дж/м 3 ; m 0 =4 p 10 -7 Гн /м m = ? H = ? Решение Плотность энергии магнитного поля в магнетике w = BH /2 = B 2 /(2 0 ) Отсюда находим H = 2 w / B ; m = B 2 /(2 m 0 w ) Подставив численные данные, получим Ответ: m = 398 @ 400; H =200 А/м .
Пример 5. Для магнитной обработки виноматериалов и питьевой воды используют установку на электромагнитах (рис.19), потребляющих мощность 2,4 кВт. Индукция магнитного поля в рабочем зазоре 15,1 × 10 -2 Тл. Определить КПД установки, если ее производительность 100 м 3 / час. Дано: N потр = 2,4 × 10 3 Вт; B = 15,1 × 10 -2 Тл; m = 1 ; Q = 200 м 3 /час =1/18 м 3 /с h = ? Решение По определению коэффициента полезного действия h = А полезн / А затр (1) Затраченная работа равна потребляемой из сети энергии А затр = N потр Dt , (2) где Dt – отрезок времени. Полезная работа состоит в намагничивании протекающей жидкости в объеме V = Q Dt . Эта работа равна энергии магнитного поля, создаваемого в зазоре: А полезн = W м = w V = B 2 V /(2 0 ) = B 2 Q Dt /2 0 . (3) Подставив (3) и (2) в (1), получаем КПД: h = B 2 Q /(2 0 N потр ) = 1,5 2 /(18 ×2 ×12,56 ×10 -7 × 2,4 ×10 3 ) = 0,104. Ответ: КПД составляет 10,4 % .
Предварительный просмотр:
Подписи к слайдам:
Цель: познакомиться с явлением электромагнитной индукции; показать значение этого явления для физики и техники; ввести понятие вихревого электрического поля; научиться определять направление индукционного тока.
1. История открытия явления ЭМИ. 2. Опыты Фарадея. 3. Магнитный поток. 4. Явление ЭМИ. 5. Причина возникновения индукционного тока. 6. Вихревое электрическое поле. 7. Правило Ленца. 8. Закон ЭМИ.
В 1820 г Эрстед обнаружил действие проводника с током на магнитную стрелку. Этим опытом показали «превращение электричества в магнетизм».
«Превратить магнетизм в электричество…» Английский физик Майкл Фарадей, узнав об опытах Эрстеда, поставил перед собой задачу – «превратить магнетизм в электричество». Решал эту задачу в течение 10 лет – с 1821 по 1831 г. Фарадей доказал, что магнитное поле может порождать электрический ток.
Значение ЭМИ для физики и техники На явлении ЭМИ основано действие генераторов электрического тока на всех электростанциях Земли. Немецкий физик Генрих Гельмгольц сказал: «Пока люди будут пользоваться благами электричества, они будут помнить имя Фарадея».
Опыты Фарадея по исследованию ЭМИ можно разделить на две серии: возникновение индукционного тока при вдвигании и выдвигании магнита (катушки с током); возникновение индукционного тока в одной катушке при изменении тока в другой катушке.
Опыты Фарадея 1 серия опытов 2 серия опытов
Вывод из опытов Фарадея: индукционный ток в катушке возникает тогда, когда изменяется число линий магнитной индукции, пронизывающих катушку.
Магнитным потоком Ф (потоком магнитной индукции) через замкнутый контур называют физическую величину, равную произведению модуля вектора магнитной индукции В на площадь контура S и на косинус угла между вектором В и перпендикуляром к плоскости контура.
На основании опытов Фарадея можно сделать вывод о том, при каких условиях может наблюдаться явление ЭМИ: Явление электромагнитной индукции заключается в возникновении индукционного тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока через площадь, ограниченную контуром.
Выполнение условия возникновения ЭМИ – изменение магнитного потока через контур – можно осуществить двумя способами : Движение контура в постоянном магнитном поле Изменение во времени магнитного поля, в котором покоится контур
Движение контура в постоянном магнитном поле Индукционный ток при движении проводящего контура в постоянном магнитном поле вызывает сила Лоренца, действующая на свободные заряды в проводнике
Изменение во времени магнитного поля, в котором покоится контур Индукционный ток в неподвижном замкнутом контуре, находящемся в переменном магнитном поле, вызывается электрическим полем, порождаемым переменным магнитным полем ( вихревым электрическим полем)
Отличие вихревого электрического поля от электростатического Оно не связано с электрическими зарядами; Силовые линии этого поля всегда замкнуты; Работа сил вихревого поля по перемещению зарядов на замкнутой траектории не равна нулю.
Направление индукционного тока Вспомним опыт Фарадея: направление отклонения стрелки амперметра (а значит, и направление тока) может быть различным.
Объяснение опыта Ленца Если приблизить магнит к проводящему кольцу, то оно начнет отталкиваться от магнита. Это отталкивание можно объяснить только тем, что в кольце возникает индукционный ток, обусловленный возрастанием магнитного потока через кольцо, а кольцо с током взаимодействует с магнитом.
Правило Ленца и ЗСЭ Если магнитный поток через контур возрастает , то направление индукционного тока в контуре таково, что вектор магнитной индукции созданного этим током поля направлен противоположно вектору магнитной индукции внешнего магнитного поля. Если магнитный поток через контур уменьшается , то направление индукционного тока таково, что вектор магнитной индукции созданного этим током поля сонаправлен вектору магнитной индукции внешнего поля.
Правило Ленца : индукционный ток имеет такое направление, что созданный им магнитный поток всегда стремится скомпенсировать то изменение магнитного потока, которое вызвало данный ток. Правило Ленца является следствием закона сохранения энергии.
Закон ЭМИ : ЭДС индукции в замкнутом контуре равна модулю скорости изменения магнитного потока, пронизывающего этот контур.
Закон ЭМИ с учетом правила Ленца.
Закрепление Вопросы 1 - 3 на стр. 30, (1-2) на стр.34, 1-4 на стр.36
Домашнее задание § 9-13 Упр.2(6-8) Подготовиться к л/р № 2, стр. 364. По желанию - презентация «Применение вихревого электрического поля (токи Фуко)»
Предварительный просмотр:
Дата: 07.10.2026 Урок 10.
Тема: Обобщающий урок. Магнитное поле. Электромагнитная индукция.
Тема «Магнитное поле и электромагнитная индукция» в 11 классе — это фундамент электродинамики. Она объединяет идеи о том, как устроено магнитное поле и как с его помощью можно получить электрический ток. Давайте разберём ключевые понятия и формулы.
Магнитное поле
Магнитное поле — это особый вид материи, который возникает вокруг движущихся электрических зарядов (токов) или постоянных магнитов. Оно действует только на движущиеся заряды и проводники с током, но на неподвижные заряды не оказывает воздействия. yaklass.rufoxford.rulancmanschool.com
Основные характеристики:
- Вектор магнитной индукции ((\vec{B})) — это силовая характеристика поля. Его направление совпадает с направлением северного полюса свободной магнитной стрелки в данной точке.
- Линии магнитной индукции — воображаемые линии, касательные к которым в каждой точке показывают направление (\vec{B}). Они всегда замкнуты и не пересекаются.
Способы определения направления:
- Правило буравчика (правило правой руки): если вкручивать буравчик по направлению тока, то движение рукоятки покажет направление линий поля.
- Правило левой руки: для определения направления силы Ампера, действующей на проводник с током в магнитном поле.
Правило левой руки
Чтобы определить направление силы Ампера, используют правило левой руки:
- Расположите левую ладонь так, чтобы линии магнитной индукции входили в неё.
- Четыре вытянутых пальца направьте по току (то есть по направлению движения положительных зарядов).
- Отогнутый на 90ᴼ большой палец покажет направление силы Ампера.
Важно: сила Ампера всегда перпендикулярна как направлению тока, так и линиям магнитного поля.
Сила Ампера — это сила, с которой магнитное поле действует на проводник с электрическим током. Она возникает только при одновременном наличии двух условий: проводник должен находиться в магнитном поле и по нему должен течь ток.
Формула и её смысл
Модуль силы Ампера (FA) рассчитывается по формуле:
FA=B⋅I⋅L⋅sinα
где:
- B — магнитная индукция (модуль вектора индукции магнитного поля), [Тл];
- I — сила тока в проводнике, [А];
- L — длина той части проводника, которая находится в магнитном поле, [м];
- α — угол между направлением тока и вектором магнитной индукции.
Из формулы видно, что сила Ампера прямо пропорциональна магнитной индукции, силе тока и длине проводника.
Важный нюанс: сила Ампера максимальна, когда проводник перпендикулярен линиям магнитного поля (α=90∘, sin90∘=1sin90∘=1), и равна нулю, если проводник расположен вдоль линий магнитного поля (α=0∘α=0∘ или 180∘, sin0∘=0 sin0∘=0).
Связь с силой Лоренца
На микроуровне сила Ампера — это результат суммарного действия силы Лоренца на все движущиеся заряды в проводнике. Сила Лоренца действует на отдельную заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле.
Историческая справка
Французский физик Андре-Мари Ампер в начале XIX века провёл серию опытов и установил, что сила, действующая на проводник с током, прямо пропорциональна его длине, силе тока и модулю вектора магнитной индукции.
Практическое применение
Сила Ампера лежит в основе работы многих устройств: электродвигателей, генераторов, громкоговорителей, электроизмерительных приборов и устройств магнитно-резонансной томографии.
Единица измерения. В Международной системе единиц (СИ) сила Ампера измеряется в ньютонах (Н).
Сила Лоренца — это сила, с которой электромагнитное поле (точнее, магнитная его составляющая) действует на движущуюся заряженную частицу. Названа она в честь голландского физика Хендрика Лоренца, который её описал.
Формула
Модуль силы Лоренца (FЛFЛ) вычисляется по формуле:
FЛ=∣q∣⋅v⋅B⋅sinα,
где:
- q — заряд частицы (в кулонах, Кл);
- v — скорость частицы (в метрах в секунду, м/с);
- B — индукция магнитного поля (в тесла, Тл);
- α — угол между вектором скорости частицы и вектором магнитной индукции.
В векторном виде силу Лоренца записывают так:
F⃗Л=q(v⃗×B⃗), FЛ=q(v×B),
где ×× обозначает векторное произведение.
Направление силы
Сила Лоренца всегда перпендикулярна как вектору скорости частицы, так и вектору магнитной индукции.
Чтобы определить направление, используют правило левой руки:
- Ладонь левой руки располагают так, чтобы линии магнитного поля входили в неё.
- Четыре пальца направляют по вектору скорости частицы (для положительного заряда).
- Отогнутый большой палец покажет направление силы Лоренца.
Важный нюанс: для отрицательно заряженной частицы (например, электрона) направление силы будет противоположным.
Особенности действия
- Работа силы Лоренца равна нулю. Это связано с тем, что сила всегда перпендикулярна перемещению частицы. Поэтому она не меняет модуль скорости частицы, а только искривляет её траекторию.
- Сила Лоренца не действует вдоль направления движения. Она всегда отклоняет частицу, то есть меняет направление её скорости, но не её величину.
Движение частицы в магнитном поле
Характер движения зависит от угла между скоростью частицы и линиями магнитного поля:
- Если частица влетает вдоль линий магнитной индукции (α=0∘ или α=180∘), то sinα=0 sinα=0, и сила Лоренца равна нулю. Частица продолжает двигаться равномерно и прямолинейно.
- Если частица влетает перпендикулярно линиям поля (α=90∘), сила Лоренца максимальна и становится центростремительной. Частица начинает двигаться по окружности.
- Если частица влетает под углом, траектория будет винтовой линией (спиралью).
Радиус окружности (для случая перпендикулярного влёта) определяется формулой:
R=m⋅v∣q∣⋅B, R=∣q∣⋅Bm⋅v,
где m — масса частицы. Период обращения (время одного полного оборота) не зависит от скорости частицы и равен:
T=2π⋅m∣q∣⋅B. T=∣q∣⋅B2π⋅m.
На этом принципе работают циклотроны — ускорители заряженных частиц.
Сила Лоренца в общем случае
Если на частицу одновременно действуют и электрическое (E⃗E), и магнитное (B⃗) поля, полная сила Лоренца складывается из электрической и магнитной составляющих:
F⃗=q(E⃗+v⃗×B⃗). F=q(E+v×B).
Где применяется
Сила Лоренца лежит в основе многих технологий и явлений:
- Масс-спектрометрия — метод разделения ионов по массе.
- Электронно-лучевые трубки в телевизорах и мониторах.
- Ускорители заряженных частиц (циклотроны, синхротроны).
- Магнитная гидродинамика (МГД)-генераторы.
- Пузырьковые камеры для регистрации заряженных частиц.
Принцип суперпозиции: результирующая индукция поля равна векторной сумме индукций полей, созданных отдельными токами или движущимися зарядами: (\vec{B} = \vec{B}_1 + \vec{B}_2 + \dots + \vec{B}_n). yaklass.ru
Электромагнитная индукция
Электромагнитная индукция — это явление возникновения электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром. yaklass.rufoxford.ru
Магнитный поток ((\Phi)) — скалярная величина, показывающая, сколько линий магнитной индукции пронизывает поверхность: (\Phi = B \cdot S \cdot \cos \alpha), где (\alpha) — угол между вектором магнитной индукции и нормалью к поверхности. Единица измерения — вебер (Вб). yaklass.ruyaklass.ru
Закон Фарадея: электродвижущая сила (ЭДС) индукции в контуре равна скорости изменения магнитного потока, взятой со знаком минус: (\mathcal{E}_i = -\frac{\Delta \Phi}{\Delta t}). yaklass.ru
Правило Ленца определяет направление индукционного тока: он всегда имеет такое направление, чтобы созданное им магнитное поле препятствовало изменению магнитного потока, вызвавшему этот ток. yaklass.ru
ЭДС индукции в движущемся проводнике: (\mathcal{E}_i = B \cdot l \cdot v \cdot \sin \alpha), где (l) — длина активной части проводника, (v) — его скорость. yaklass.ru
Вихревое электрическое поле: если проводник неподвижен, а магнитное поле меняется, то в пространстве возникает особое вихревое электрическое поле. Его силовые линии замкнуты, и именно оно заставляет двигаться свободные заряды в проводнике, создавая индукционный ток. yaklass.ruinterneturok.ru
Самоиндукция
Самоиндукция — это явление возникновения ЭДС индукции в самом контуре при изменении силы тока в нём. Формула: (\mathcal{E}_{si} = -L \cdot \frac{\Delta I}{\Delta t}), где (L) — индуктивность контура. yaklass.ru
Что важно запомнить
- Связь полей: электрическое и магнитное поля — это две стороны единого электромагнитного поля.
- Правило Ленца — ваш главный помощник для определения направления индукционного тока.
- Закон Фарадея — количественная связь: ЭДС индукции прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока.
Практические примеры
Явление электромагнитной индукции лежит в основе работы генераторов, трансформаторов, индукционных плит и многих других устройств. foxford.ru