При каких условиях возникает эдс самоиндукции: Явление самоиндукции — урок. Физика, 8 класс. — Интернет-магазин инструмента. — yato-tools.ru. Электротовары и инструмент.

Содержание

Самоиндукция. Индуктивность. Энергия магнитного поля.

Самоиндукция — является важным частным случаем электромагнитной индукции, когда изменяющийся магнитный поток, вызывающий ЭДС индукции, создается током в самом контуре. Если ток в рассматриваемом контуре по каким-то причинам изменяется, то изменяется и магнитное поле этого тока, а, следовательно, и собственный магнитный поток, пронизывающий контур. В контуре возникает ЭДС самоиндукции, которая согласно правилу Ленца препятствует изменению тока в контуре.

Явление самоиндукции подобно явлению инерции. Так же, как в механике нельзя мгновенно остановить движущееся тело, так и ток не может мгновенно приобрести определенное значение за счет явления самоиндукции. Если в цепь, состоящую из двух параллельно подключенных к источнику тока одинаковых ламп, последовательно со второй лампой включить катушку, то при замыкании цепи первая лампа загорается практически сразу, а вторая с заметным запаздыванием.

При размыкании цепи сила тока быстро уменьшается, и возникающая ЭДС самоиндукции препятствует уменьшению магнитного потока. При этом индуцированный ток направлен так же, как и исходный. ЭДС самоиндукции может во многом раз превысить внешнюю ЭДС. Поэтому электрические лампочки очень часто перегорают при выключении света.

Собственный магнитный поток Φ, пронизывающий контур или катушку с током, пропорционален силе тока I:

Φ = LI.

Коэффициент пропорциональности L в этой формуле называется коэффициентом самоиндукции или индуктивностью катушки. Единица индуктивности в СИ называетсягенри (Гн). Индуктивность контура или катушки равна 1 Гн, если при силе постоянного тока 1 А собственный поток равен 1 Вб:

1 Гн = 1 Вб / 1 А.

В качестве примера рассчитаем индуктивность длинного соленоида, имеющего N витков, площадь сечения S и длину l. Магнитное поле соленоида определяется формулой

B = μ₀ I n,

где I – ток в соленоиде, n = N / e – число витков на единицу длины соленоида.

Магнитный поток, пронизывающий все N витков соленоида, равен

Φ = B S N = μ₀ n² S l I.

Следовательно, индуктивность соленоида равна

L = μ₀ n² S l = μ₀ n² V,

где V = Sl – объем соленоида, в котором сосредоточено магнитное поле. Полученный результат не учитывает краевых эффектов, поэтому он приближенно справедлив только для достаточно длинных катушек. Если соленоид заполнен веществом с магнитной проницаемостью μ, то при заданном токе I индукция магнитного поля возрастает по модулю в μ раз, поэтому индуктивность катушки с сердечником также увеличивается в μ раз:

L_μ = μ L = μ₀ μ n² V.

ЭДС самоиндукции, возникающая в катушке с постоянным значением индуктивности, согласно закона Фарадея равна

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

Магнитное поле обладает энергией. Подобно тому, как в заряженном конденсаторе имеется запас электрической энергии, в катушке, по виткам которой протекает ток, имеется запас магнитной энергии. Если включить электрическую лампу параллельно катушке с большой индуктивностью в электрическую цепь постоянного тока, то при размыкании ключа наблюдается кратковременная вспышка лампы. Ток в цепи возникает под действием ЭДС самоиндукции. Источником энергии, выделяющейся при этом в электрической цепи, является магнитное поле катушки.

Магнитная энергия катушки. При размыкании ключа K лампа ярко вспыхивает

Из закона сохранения энергии следует, что вся энергия, запасенная в катушке, выделится в виде джоулева тепла. Если обозначить через R полное сопротивление цепи, то за время Δt выделится количество теплоты ΔQ = I² R Δt.

Ток в цепи равен

Выражение для ΔQ можно записать в виде

ΔQ = –L I ΔI = –Φ (I) ΔI.

В этом выражении ΔI < 0; ток в цепи постепенно убывает от первоначального значения I₀

до нуля. Полное количество теплоты, выделившейся в цепи, можно получить, выполнив операцию интегрирования в пределах от I₀ до 0. Это дает

Эту формулу можно получить графическим методом, изобразив на графике зависимость магнитного потока Φ (I) от тока I Полное количество выделившейся теплоты, равное первоначальному запасу энергии магнитного поля, определяется площадью изображенного треугольника.

Вычисление энергии магнитного поля

Таким образом, энергия W_м магнитного поля катушки с индуктивностью L, создаваемого током I, равна

???Вопросы

В чем заключается явление самоиндукции?
В каких опытах можно наблюдать это явление?
Дайте определение индуктивности? В каких единицах СИ она измеряется?
Как вычислить энергию магнитного поля катушки с током?

Домашнее задание упр. №25

П Р О В Е Р Ь С Е Б Я

Урок по физике явление самоиндукции индуктивность. Тема урока: «Явление самоиндукции

На данном уроке мы узнаем, как и кем было открыто явление самоиндукции, рассмотрим опыт, с помощью которого продемонстрируем это явление, определим, что самоиндукция — это частный случай электромагнитной индукции. В конце урока введем физическую величину, показывающую зависимость ЭДС самоиндукции от размеров и формы проводника и от среды, в которой находится проводник, т. е. индуктивность.

Генри изобретал плоские катушки из полосовой меди, с помощью которых добивался силовых эффектов, выраженных более ярко, чем при использовании проволочных соленоидов. Ученый заметил, что при нахождении в цепи мощной катушки ток в этой цепи достигает своего максимального значения гораздо медленнее, чем без катушки.

Рис. 2. Схема экспериментальной установки Д. Генри

На рис. 2 изображена электрическая схема экспериментальной установки, на основе которой можно продемонстрировать явление самоиндукции. Электрическая цепь состоит из двух параллельно соединенных лампочек, подключенных через ключ к источнику постоянного тока. Последовательно с одной из лампочек подключена катушка. После замыкания цепи видно, что лампочка, которая соединена последовательно с катушкой, загорается медленнее, чем вторая лампочка (рис. 3).

Рис. 3. Различный накал лампочек в момент включения цепи

При отключении источника лампочка, подключенная последовательно с катушкой, гаснет медленнее, чем вторая лампочка.

Почему лампочки гаснут не одновременно

При замыкании ключа (рис. 4) из-за возникновения ЭДС самоиндукции ток в лампочке с катушкой нарастает медленнее, поэтому эта лампочка загорается медленнее.

Рис. 4. Замыкание ключа

При размыкании ключа (рис. 5) возникающая ЭДС самоиндукции мешает убыванию тока. Поэтому ток еще некоторое время продолжает течь. Для существования тока нужен замкнутый контур. Такой контур в цепи есть, он содержит обе лампочки. Поэтому при размыкании цепи лампочки должны некоторое время светиться одинаково, и наблюдаемое запаздывание может быть вызвано другими причинами.

Рис. 5. Размыкание ключа

Рассмотрим процессы, происходящие в данной цепи при замыкании и размыкании ключа.

1. Замыкание ключа.

В цепи находится токопроводящий виток. Пусть ток в этом витке течет против часовой стрелки. Тогда магнитное поле будет направлено вверх (рис. 6).

Таким образом, виток оказывается в пространстве собственного магнитного поля. При возрастании тока виток окажется в пространстве изменяющегося магнитного поля собственного тока. Если ток возрастает, то созданный этим током магнитный поток также возрастает. Как известно, при возрастании магнитного потока, пронизывающего плоскость контура, в этом контуре возникает электродвижущая сила индукции и, как следствие, индукционный ток. По правилу Ленца, этот ток будет направлен таким образом, чтобы своим магнитным полем препятствовать изменению магнитного потока, пронизывающего плоскость контура.

То есть для рассматриваемого на рис. 6 витка индукционный ток должен быть направлен по часовой стрелке (рис.

7), тем самым препятствуя нарастанию собственного тока витка. Следовательно, при замыкании ключа ток в цепи возрастает не мгновенно благодаря тому, что в этой цепи возникает тормозящий индукционный ток, направленный в противоположную сторону.

2. Размыкание ключа

При размыкании ключа ток в цепи уменьшается, что приводит к уменьшению магнитного потока сквозь плоскость витка. Уменьшение магнитного потока приводит к появлению ЭДС индукции и индукционного тока. В этом случае индукционный ток направлен в ту же сторону, что и собственный ток витка. Это приводит к замедлению убывания собственного тока.

Вывод: при изменении тока в проводнике возникает электромагнитная индукция в этом же проводнике, что порождает индукционный ток, направленный таким образом, чтобы препятствовать любому изменению собственного тока в проводнике (рис. 8). В этом заключается суть явления самоиндукции. Самоиндукция — это частный случай электромагнитной индукции.

Рис. 8. Момент включения и выключения цепи

Формула для нахождения магнитной индукции прямого проводника с током:

где — магнитная индукция; — магнитная постоянная; — сила тока; — расстояние от проводника до точки.

Поток магнитной индукции через площадку равен:

где — площадь поверхности, которая пронизывается магнитным потоком.

Таким образом, поток магнитной индукции пропорционален величине тока в проводнике.

Для катушки, в которой — число витков, а — длина, индукция магнитного поля определяется следующим соотношением:

Магнитный поток, созданный катушкой с числом витков N , равен:

Подставив в данное выражение формулу индукции магнитного поля, получаем:

Отношение числа витков к длине катушки обозначим числом :

Получаем окончательное выражение для магнитного потока:

Из полученного соотношения видно, что значение потока зависит от величины тока и от геометрии катушки (радиус, длина, число витков). Величина, равная , называется индуктивностью:

Единицей измерения индуктивности является генри:

Следовательно, поток магнитной индукции, вызванный током в катушке, равен:

С учетом формулы для ЭДС индукции , получаем, что ЭДС самоиндукции равна произведению скорости изменения тока на индуктивность, взятому со знаком «-»:

Самоиндукция — это явление возникновения электромагнитной индукции в проводнике при изменении силы тока, протекающего сквозь этот проводник.

Электродвижущая сила самоиндукции прямо пропорциональна скорости изменения тока, протекающего сквозь проводник, взятой со знаком минус. Коэффициент пропорциональности называется индуктивностью , которая зависит от геометрических параметров проводника.

Проводник имеет индуктивность, равную 1 Гн, если при скорости изменения тока в проводнике, равной 1 А в секунду, в этом проводнике возникает электродвижущая сила самоиндукции, равная 1 В.

С явлением самоиндукции человек сталкивается ежедневно. Каждый раз, включая или выключая свет, мы тем самым замыкаем или размыкаем цепь, при этом возбуждая индукционные токи. Иногда эти токи могут достигать таких больших величин, что внутри выключателя проскакивает искра, которую мы можем увидеть.

Список литературы

Мякишев Г.Я. Физика: Учеб. для 11 кл. общеобразоват. учреждений. — М.: Просвещение, 2010.
Касьянов В.А. Физика. 11 кл.: Учеб. для общеобразоват. учреждений. — М.: Дрофа, 2005.
Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И., Физика 11. — М.: Мнемозина.

Интернет-портал Myshared.ru ().
Интернет-портал Physics.ru ().
Интернет-портал Festival.1september.ru ().

Домашнее задание

Вопросы в конце параграфа 15 (стр. 45) — Мякишев Г.Я. Физика 11 (см. список рекомендованной литературы)
Индуктивность какого проводника равна 1 Генри?

Цель урока : сформировать представление о том, что изменение силы тока в проводнике создает вихревое воле, которое может или ускорять или тормозить движущиеся электроны.

Ход урока

Проверка домашнего задания методом индивидуального опроса

1. Получить формулу для вычисления электродвижущей силы индукции для проводника, движущегося в магнитном поле.

2. Вывести формулу для вычисления электродвижущей силы индукции, используя закон электромагнитной индукции.

3. Где применяется и как устроен электродинамический микрофон?

4. Задача. Сопротивление проволочного витка равно 0,03 Ом. Магнитный поток уменьшается внутри витка на 12 мВб. Какой электрический заряд проходит через поперечное сечение витка?

Решение. ξi=ΔФ/Δ t; ξi= Iiʹ·R; Ii =Δq/Δt; ΔФ/Δt = Δq R/Δt; Δq = ΔФΔt/ RΔt; Δq= ΔФ/R;

Изучение нового материала

1. Самоиндукция.

Если по проводнику идет переменный ток, то он создает ЭДС индукции в этом же проводнике – это явление

Самоиндукции. Проводящий контур играет двоякую роль: по нему идет ток, в нем же создается ЭДС индукции этим током.

На основании правила Ленца; когда ток увеличивается, напряженность вихревого электрического поля, направлена против тока, т.е. препятствует его увеличению.

Во время уменьшения тока вихревое поле его поддерживает.

Рассмотрим схему на которой видно, что сила тока достигает определенного

значения постепенно, через какое – то время.

Демонстрация опытов со схемами. С помощью первой цепи покажем, как появляется ЭДС индукции при замыкании цепи.

При замыкании ключа первая лампа загорается мгновенно, вторая с опозданием, из-за большой самоиндукции в цепи, которую создает катушка с сердечником.

С помощью второй цепи продемонстрируем появление ЭДС индукции при размыкании цепи.

В момент размыкания через амперметр, пойдет ток направленный,против начального тока.

При размыкании сила тока может превысить первоначальное значение тока. Значит, ЭДС самоиндукции может быть больше ЭДС источника тока.

Провести аналогию между инерцией и самоиндукцией

Индуктивность.

Магнитный поток пропорционален величине магнитной индукции и силе тока. Ф~B~I.

Ф= L I; где L- коэффициент пропорциональности между током и магнитным потоком.

Данный коэффициент называют чаще индуктивностью контура или коэффициентом самоиндукции.

Используя величину индуктивности, закон электромагнитной индукции можно записать так:

ξis= – ΔФ/Δt = – L ΔI/Δt

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

Измеряют индуктивность в генри (Гн) 1 Гн = 1 В с/А

О значении самоиндукции в электротехнике и радиотехнике.

Вывод: когда по проводнику идет изменяющийся ток появляется вихревое электрическое поле.

Вихревое поле тормозит свободные электроны при увеличении тока и поддерживает его при уменьшении.

Закрепление изученного материала.

– Как объяснить явление самоиндукции?

– Провести аналогию между инерцией и самоиндукцией.

– Что такое индуктивность контура, в каких единицах измеряется индуктивность?

– Задача. При силе тока в 5 А в контуре возникает магнитный поток 0,5 мВб. Чему будет равна индуктивность контура?

Решение. ΔФ/Δt = – L ΔI/Δt; L = ΔФ/ΔI; L =1 ·10-4Гн

Подведем итоги урока

Домашнее задание: §15, повт. §13, упр. 2 № 10

Цель урока: сформулировать количественный закон электромагнитной индукции; учащиеся должны усвоить, что такое ЭДС магнитной индукции и что такое магнитный поток. Ход урока Проверка домашнего задания…
Цель урока: сформировать у учащихся представление о существовании сопротивления только в цепи переменного тока – это емкостное и индуктивное сопротивления. Ход урока Проверка домашнего задания…
Цель урока: сформировать представление об энергии, которой обладает электрический ток в проводнике и энергии магнитного поля, созданного током. Ход урока Проверка домашнего задания методом тестирования…
Цель урока: ввести понятие электродвижущей силы; получить закон Ома для замкнутой цепи; создать у учащихся представление о различии между ЭДС, напряжением и разностью потенциалов. Ход…
Цель урока: сформировать у учащихся представление об активном сопротивлении в цепи переменного тока, и о действующем значении силы тока и напряжения. Ход урока Проверка домашнего…
Цель урока: сформировать понятие, что ЭДС индукции может возникать или в неподвижном проводнике, помещенном в изменяющееся магнитное поле, или в движущемся проводнике, находящемся в постоянном. ..
Цель урока: выяснить, как произошло открытие электромагнитной индукции; сформировать понятие об электромагнитной индукции, значение открытия Фарадея для современной электротехники. Ход урока 1. Анализ контрольной работы…
Цель урока: рассмотреть устройство и принцип действия трансформаторов; привести доказательства, что электрический ток никогда не имел бы такого широкого применения, если бы в свое время…
Цель урока: выяснить, какой причиной вызвана ЭДС индукции в движущихся проводниках, помещенных в постоянное магнитное поле; подвести учащихся к выводу, что действует на заряды сила…
Цель урока: контроль усвоения, учащимися изученной темы, развитие логического мышления, совершенствование вычислительных навыков. Ход урока Организация учащихся на выполнение контрольной работы Вариант 1 №1. Явление…
Цель урока: сформировать у учащихся представление об электрическом и магнитном поле, как об едином целом – электромагнитном поле. Ход урока Проверка домашнего задания методом тестирования. ..
Цель урока: проверить знания учащихся по вопросам изученной темы, совершенствовать навыки решения задач различных видов. Ход урока Проверка домашнего задания Ответы учащихся по подготовленным дома…
Цель урока: повторить и обобщить знания по пройденной теме; совершенствовать умение логически мыслить, обобщать, решать качественные и расчетные задачи. Ход урока Проверка домашнего задания 1….
Цель урока: доказать учащимся, что свободные электромагнитные колебания в контуре не имеют практического применения; используются незатухающие вынужденные колебания, которые имеют большое применение на практике. Ход…
Цель урока: сформировать понятие о модуле магнитной индукции и силе Ампера; уметь решать задачи на определение этих величин. Ход урока Проверка домашнего задания методом индивидуального…

Слайд 2

САМОИНДУКЦИЯ

Каждый проводник, по которому протекает эл.ток, находится в собственном магнитном поле.

Слайд 3

При изменении силы тока в проводнике меняется м. поле, т.е. изменяется магнитный поток, создаваемый этим током. Изменение магнитного потока ведет в возникновению вихревого эл.поля и в цепи появляется ЭДС индукции.

Слайд 4

Самоиндукция — явление возникновения ЭДС индукции в эл.цепи в результате изменения силы тока. Возникающая при этом ЭДС называется ЭДС самоиндукции

Слайд 5

Проявление явления самоиндукции

Слайд 6

Вывод в электротехнике явление самоиндукции проявляется при замыкании цепи (эл.ток нарастает постепенно) и при размыкании цепи (эл.ток пропадает не сразу).

Слайд 7

ИНДУКТИВНОСТЬ

От чего зависит ЭДС самоиндукции? Эл.ток создает собственное магнитное поле. Магнитный поток через контур пропорционален индукции магнитного поля (Ф ~ B), индукция пропорциональна силе тока в проводнике (B ~ I), следовательно магнитный поток пропорционален силе тока (Ф ~ I). ЭДС самоиндукции зависит от скорости изменения силы тока в эл.цепи, от свойств проводника (размеров и формы) и от относительной магнитной проницаемости среды, в которой находится проводник. Физическая величина, показывающая зависимость ЭДС самоиндукции от размеров и формы проводника и от среды, в которой находится проводник, называется коэффициентом самоиндукции или индуктивностью.

Слайд 8

Индуктивность — физ. величина, численно равная ЭДС самоиндукции, возникающей в контуре при изменении силы тока на 1Ампер за 1 секунду.

Слайд 9

Также индуктивность можно рассчитать по формуле:

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

Слайд 10

Единицы измерения индуктивности в системе СИ:

Слайд 11

Индуктивность катушки зависит от:

числа витков, размеров и формы катушки и от относительной магнитной проницаемости среды (возможен сердечник).

Слайд 12

ЭДС САМОИНДУКЦИИ

ЭДС самоиндукции препятствует нарастанию силы тока при включении цепи и убыванию силы тока при размыкании цепи.

Слайд 13

ЭНЕРГИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ТОКА

Вокруг проводника с током существует магнитное поле, которое обладает энергией. Откуда она берется? Источник тока, включенный в эл.цепь, обладает запасом энергии. В момент замыкания эл.цепи источник тока расходует часть своей энергии на преодоление действия возникающей ЭДС самоиндукции. Эта часть энергии, называемая собственной энергией тока, и идет на образование магнитного поля. Энергия магнитного поля равна собственной энергии тока. Собственная энергия тока численно равна работе, которую должен совершить источник тока для преодоления ЭДС самоиндукции, чтобы создать ток в цепи.

Слайд 14

Энергия магнитного поля, созданного током, прямо пропорциональна квадрату силы тока. Куда пропадает энергия магнитного поля после прекращения тока? — выделяется (при размыкании цепи с достаточно большой силой тока возможно возникновение искры или дуги)

Посмотреть все слайды

1-й семестр

ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

3. Электромагнитное поле

УРОК 9/36

Тема. Самоиндукция. Индуктивность

Цель урока: расширить представление учащихся о явлении электромагнитной индукции; разъяснить сущность явления самоиндукции.

Тип урока: урок изучения нового материала.

ПЛАН УРОКА

Контроль знаний		1. Явление электромагнитной индукции. 2. Закон электромагнитной индукции. 3. Правило Ленца.
Демонстрации		1. Явление самоиндукции во время размыкания и замыкания круга. 2. Использование самоиндукции для зажигания люминесцентной лампы. 3. Фрагменты видеофильма «Явление самоиндукции».
Изучение нового материала		1. Самоиндукция. 2. ЭДС самоиндукции. 3. Индуктивность
Закрепление изученного материала		1. Качественные вопросы. 2. Учимся решать задачи.

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Первый уровень

1. В какой момент искрит рубильник: в случае замыкания или размыкания круга?

2. Когда можно наблюдать явление самоиндукции в цепи постоянного тока?

3. Почему нельзя мгновенно изменить силу тока в замкнутом контуре?

Второй уровень

1. Как зависит значение модуля вектора магнитной индукции от силы тока?

2. Опыты показывают, что индуктивность катушки увеличивается в соответствии с увеличением числа витков в катушке. Как этот факт можно объяснить?

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

) . Качественные вопросы

1. Почему за отрыва дуги трамвая от воздушного провода возникает искрение?

2. Электромагнит с разомкнутым сердечником включен в круг постоянного тока. При замыкании якорем сердечника происходит кратковременное уменьшение силы тока в цепи. Почему?

3. Почему отключение от питающей сети мощных электродвигателей осуществляют плавно и медленно при помощи реостата?

) . Учимся решать задачи

1. Сверхпроводящую катушку индуктивностью 5 Гн замыкают на источник тока с ЭДС 20 В и очень малым внутренним сопротивлением. Считая, что сила тока в катушке увеличивается равномерно, определите время, за которое сила тока достигнет 10 А.

Решения. Сила тока в катушке увеличивается постепенно вследствие явления самоиндукции. Воспользуемся законом Ома для полной цепи: где — полная ЭДС цепи, состоящей из ЭДС источника и ЭДС самоиндукции: Тогда закон Ома принимает вид.

План–конспект урока по физике «Самоиндукция. Индуктивность. Энергия магнитного поля тока» (8 класс)

Тема урока: Самоиндукция. Индуктивность. Энергия магнитного поля.

Цель : Формирование понятия явления самоиндукции, его проявлении в цепях электрического тока. Применение самоиндукции в электротехнических устройствах.

Задачи:

Образовательные: Повторить знание учащихся о явление электромагнитной индукции, углубить их; на этой основе изучить явление самоиндукции.

Воспитательные: Воспитать интерес к предмету, трудолюбие и умение внимательно оценивать ответы товарищей. Показать значение причинно- следственных связей в познаваемости явлений.

Развивающие: Развитие физического мышления учащихся, расширение понятийного аппарата учащихся, формирование умений анализировать информацию, делать выводы из наблюдений и опытов.

Тип урока: урок изучения нового материала.

Оборудование: Катушка индуктивности с сердечником – демонстрационная, источник питания, ключ, две лампочки на 3,5 В, реостат на 100 Ом, неоновая лампочка на 200В.

Опыты: 1) опыт по наблюдению явления самоиндукции при замыкании цепи; 2) опыт по наблюдению явления самоиндукции при размыкании цепи;

План урока:

Организационный момент.

Актуализация опорных знаний.

Мотивация.

Изучение нового материала.

Закрепление.

Домашнее задание.

Ход урока

Организационный момент. (1 мин)

Актуализация опорных знаний.

Что называют явлением электромагнитной индукции?

Какая гипотеза Фарадея привела к открытию электромагнитной индукции?

Как Фарадей открыл явление электромагнитной индукции?

При каких условиях возникает индукционный ток в катушке?

Отчего зависит направление индукционного тока?

Чем объясняется отталкивание алюминиевого кольца при введение в него магнита и притяжение к магниту при его удалении из кольца?

Почему разрезанное алюминиевое кольцо не взаимодействует с движущимся магнитом?

Сформулируйте правило Ленца.

Как с помощью правила Ленца определить направление индукционного тока в проводнике?

3 . Мотивация.

Основы электродинамики были заложены Ампером в 1820 году. Работы Ампера вдохновили многих инженеров на конструирование различных технических устройств, таких как электродвигатель (конструктор Б. С. Якоби), телеграф (С. Морзе), электромагнит, конструированием которого занимался известный американский ученый Генри. Создавая различные электромагниты, в 1832 году ученый открыл новое явление в электромагнетизме – явление самоиндукции. Об этом мы будем говорить на этом уроке.

4.Изучение нового материала .

Рассмотрим частный случай электромагнитной индукции: возникновение индукционного тока в катушке при изменении силы тока в ней.

Для этого проведём опыт, изображённый на рисунке. Замкнём цепь ключом Кл. Лампа Л1 загорится сразу, а Л2 — с опозданием приблизительно в 1 с. Причина запаздывания заключается в следующем. Согласно явлению электромагнитной индукции, в реостате и в катушке возникают индукционные токи. Они препятствуют увеличению силы тока I 1 и I 2 (это следует из правила Ленца и правила правой руки). Но в катушке К индукционный ток будет значительно больше, чем в реостате Р, так как катушка имеет гораздо большее число витков и сердечник, т. е. обладает большей индуктивностью, чем реостат.

В проделанном опыте мы наблюдаем явление самоиндукции.

Явление самоиндукции заключается в возникновении индукционного тока в катушке при изменении силы тока в ней. При этом возникающий индукционный ток называется током самоиндукции. Это явление было открыто Джозефом Генри, практически одновременно с открытием явлением электромагнитной индукции Фарадеем.

Самоиндукция при размыкании электрической цепи и энергия магнитного поля. Появление мощного индукционного тока при размыкании цепи свидетельствует о том, что магнитное поле тока в катушке обладает энергией. Именно за счёт уменьшения энергии магнитного поля совершается работа по созданию индукционного тока. В этот момент вспыхивает лампа Лн которая, при нормальных условиях, загорается при напряжении 200В. А накопилась эта энергия раньше, при замыкании цепи, когда за счёт энергии источника тока совершалась работа по преодолению тока самоиндукции, препятствующего увеличению тока в цепи, и его магнитного поля.

Индуктивность — это величина, равная ЭДС самоиндукции при изменении силы тока в проводнике на 1 А за 1 с. Единица индуктивности — генри (Гн). 1 Гн = 1 В с/А. 1 генри — это индуктивность такого проводника, в котором возникает ЭДС самоиндукции 1 вольт при скорости изменения силы тока 1 А/с. L называют индуктивностью. Демонстрация различных катушек индуктивности применяемых в радиотехнике и электротехнике. Используем раздаточный материал для просмотра учащимися. (катушки индуктивности)

Люминесцентная лампа – это газоразрядные источники света. Их световой поток формируется за счет свечения люминофоров, на которые воздействует ультрафиолетовое излучение разряда. Его видимое свечение обычно не превышает 1-2%. Люминесцентные лампы (ЛЛ) получили широкое применение в освещении помещений разного типа. Их световая отдача в разы больше, чем у привычных ламп накаливания. В качестве выключателя используют устройство – стартёр. Стартер представляет собой небольшую газоразрядную лампу тлеющего разряда. Стеклянная колба наполняется инертным газом (неон или смесь гелий-водород) и помещается в металлический или пластмассовый корпус. При включении схемы на напряжение сети оно полностью окажется приложенным к стартеру. Электроды стартера разомкнуты, и в нем возникает тлеющий разряд. В цепи будет проходить небольшой ток (20-50 мА). Этот ток нагревает биметаллические электроды, и они, изгибаясь, замкнут цепь, и тлеющий разряд в стартере прекратится. После зажигания лампы в цепи установится ток, равный номинальному рабочему току лампы. Этот ток обусловит такое падение напряжения на дросселе, что напряжение на лампе станет примерно равным половине номинального напряжения сети. Так как стартер включен параллельно лампе, то напряжение на нем будет равно напряжению на лампе и в связи с тем, что оно недостаточно для зажигания тлеющего разряда в стартере, его электроды останутся разомкнутыми при горении лампы.

5. Закрепление.

1. Какое явление изучалось на проделанном опыте.
2. В чём заключается явление самоиндукции?
3. Может ли возникнуть ток самоиндукции в прямом проводнике с током? Если нет, то объясните почему; если да, то при каком условии.
4. За счёт уменьшения какой энергии совершалась работа по созданию индукционного тока при размыкании цепи?

5. Какие факты доказывают, что магнитное поле обладает энергией?

6. Что такое индуктивность?

7. Назовите единицу индуктивности в СИ и как она называется?

8. Что такое дроссель и для чего он нужен при работе люминесцентной лампы?

Задача1. Какова индуктивность катушки, если при постепенном изменении в ней силы тока от 5 до 10А за 0,1 с возникает ЭДС самоиндукции, равная 20В?

Physics for Science & Engineering II

от Office of Academic Technologies на Vimeo.

9.7 Самоиндукция

Рассмотрим две простые схемы. Катушка, которая подключена к клеммам блока питания, аккумулятор, выключатель, и, допустим, это наша схема номер один. Аналогичную катушку размещаем напротив этой, и в этой схеме у нас нет источника питания. Мы можем разместить здесь гальванометр для определения тока, и давайте назовем его второй схемой.

Допустим, источник питания, батарея, генерирует ε вольт электродвижущей силы. Конечно, когда переключатель выключен, по этой цепи не будет протекать ток. Когда мы включаем переключатель во включенное положение, то через эту цепь будет течь определенный ток от положительного конца к отрицательному концу, поэтому, как только переключатель замкнут.

Ну, во время этого процесса, как только мы включим этот переключатель, ток начнется с 0 и начнет нарастать до своего максимального значения. Тогда он достигнет своего максимального значения и, следовательно, будет течь по этому контуру при этом постоянном значении. Но во время нарастания тока, другими словами, когда он идет от 0 до своего максимального значения, связанное с ним магнитное поле, которое он генерирует, также будет начинаться с 0 и увеличиваться до своего максимального значения, потому что, как вы помните, величина тока прямо пропорциональна силе создаваемого им магнитного поля.

Ну, поэтому во время этого процесса магнитное поле поднимается с увеличением тока, и оно будет генерировать линии магнитного поля через этот первый контур, скажем, первую катушку, и эти линии будут проходить через область, окруженную второй катушкой. . По мере увеличения тока это магнитное поле будет увеличиваться. Следовательно, поток через область, окруженную второй катушкой, будет увеличиваться, и в результате этого увеличения потока, согласно закону Фарадея, мы получим индуцированную ЭДС и, следовательно, индуцированный ток. Этот ток появится из закона Ленца, так что он будет противодействовать своей причине, поэтому он будет генерировать магнитное поле в направлении, противоположном этому. Это магнитное поле индуцированного тока. Чтобы иметь возможность генерировать магнитное поле в этом направлении, используя правило правой руки, индуцированный ток должен течь в направлении против часовой стрелки по всей этой цепи.

Конечно, этот ток будет обнаружен вот этим гальванометром, и стрелка гальванометра будет двигаться в одном направлении. Он отклонится от своего исходного 0, в какой бы точке или месте он ни находился. Ну, если мы будем следовать этому случаю, то магнитное поле этого индуцированного тока вдоль этого второго контура будет проходить через область, окруженную первым контуром, вот так. Поскольку ток накапливается в первом, поэтому индуцированные i будут генерировать второй. Магнитное поле этого второго будет проходить через область, окруженную первой катушкой. Следовательно, он будет генерировать изменение потока через первую катушку, и этот поток будет индуцировать электродвижущую силу вдоль первой катушки и, следовательно, также ток, и этот ток будет проявляться так, что будет противодействовать своей причине.

Если мы проследим катушки, исходные катушки, то вернемся к тому факту, что i вызвали появление во второй катушке, и что исходный ток i проявляется как увеличение от его максимальное значение. Следовательно, ток, возникающий в первой катушке, будет противодействовать этой причине. Другими словами, он попытается противостоять увеличению этого исходного тока. Для этого он должен генерировать магнитное поле, противоположное направлению исходного тока. Поэтому он должен работать в направлении, противоположном первоначальному току. И по этой причине мы не сможем в конечном итоге получить случай, когда ток сразу пойдет от 0 до своего максимального значения. Для достижения этого значения потребуется некоторое время.

Здесь мы можем констатировать, что индуцированная электродвижущая сила возникает и в катушке, если мы изменим ток в той же самой катушке. Это называется самоиндукцией, а создаваемая ЭДС, электродвижущая сила, называется «ЭДС самоиндукции». Поэтому теперь, как только мы изменим ток в первой катушке, мы индуцируем ток через вторую катушку, и магнитное поле этого тока вызовет изменение потока через первую катушку. Таким образом, мы собираемся в конечном итоге с i , наведенные вдоль первой катушки. И если ток увеличивается в первой катушке, этот индуцированный ток будет течь в направлении, противоположном направлению исходного тока.

Таким образом, первоначальный ток сразу достигает своего максимального значения. Или, если i уменьшается, если первоначальный ток уменьшается от своего максимального значения до 0, то уменьшение магнитного поля будет генерировать или индуцировать электрический ток вдоль второй катушки. Этот ток будет течь в таком направлении, что будет противодействовать своей причине, и, следовательно, он будет течь в таком направлении, что создаваемое им магнитное поле будет совпадать с первоначальным магнитным полем. Это магнитное поле, опять же, будет генерировать изменение магнитного потока через область, окруженную первой катушкой. Это вызовет индуцированный ток вдоль первого, и в этом случае, опять же, он проявится против своей первоначальной причины, а именно уменьшения первоначального тока.

Следовательно, в этом случае этот ток будет отображаться в том же направлении, что и первоначальный ток. Поэтому позвольте мне выключить выключатель, ток не сразу упадет до 0 и пройдет некоторое время, и мы называем это электродвижущей силой, которая появляется в результате изменения тока в том же состоянии, что и сила самоиндукции. электродвижущая сила и связанный с ней ток как ток самоиндукции.

Хорошо. Если мы вспомним определение индуктивности для любой катушки индуктивности, мы получим L равно количеству потокосцеплений, деленному на ток. Отсюда, если мы сделаем перекрестное умножение, Li будет равно N умножить на Φ B . Итак, по закону Фарадея индуцированная электродвижущая сила равна – Н умноженное на число витков умноженное на изменение магнитного потока. Мы можем поместить это N в оператор производной, поскольку это константа, и записать это соотношение d of NΦ B через дт . Но NΦ B по определению индуктивности равно L время i . Поэтому ε становится равным – d из Li на dt .

Поскольку индуктивность постоянна, мы можем взять ее за пределы оператора производной. Тогда ЭДС индукции становится равной – L di на dt , и это выражение для электродвижущей силы самоиндукции. Это просто говорит нам, что если ток меняется, то мы получим ЭДС самоиндукции через ту же катушку. Если через любой индуктор течет постоянный ток, то ЭДС самоиндукции будет равна 0,9.0005

Таким образом, мы можем резюмировать, сказав, что, таким образом, в любом индукторе — это может быть простой соленоид катушки или тороид — ЭДС самоиндукции возникает всякий раз, когда ток изменяется во времени. Величина электродвижущей силы не влияет на индуцированную электродвижущую силу. Имеет значение только скорость изменения тока. Другими словами, поскольку мы генерируем электродвижущую силу самоиндукции в самой первой катушке, ЭДС самоиндукции, а также связанный с ней индуцированный ток не имеют ничего общего с величиной исходного тока. Это напрямую зависит от того, насколько быстро или медленно изменяется этот первоначальный ток.

Итак, направление самоиндуцированной электродвижущей силы снова определяется законом Ленца, другими словами, самоиндуцированные действия противодействуют вызывающему ее изменению. Таким образом, если мы добавим, мы можем сказать, что направление самоиндуцируемой электродвижущей силы определяется законом Ленца. То есть противостоит своему делу.

В этом смысле, если вы посмотрите на пару интересных случаев, предполагая, что у нас есть индуктор, может быть соленоид, тороид или простая катушка, и давайте предположим, что ток течет слева направо, и предположим, что i увеличивается. Следовательно, мы придем к самоиндуцированной электродвижущей силе, и она проявится так, что будет противодействовать своей причине. Очевидно, чтобы иметь возможность протекать ток в этом направлении, мы должны иметь нашу исходную стрелку ЭДС. Он указывает вправо, чтобы ток протекал слева направо. Таким образом, если i увеличивается, мы получим ЭДС самоиндукции вдоль этой катушки индуктивности, которая будет противодействовать своей причине. Другими словами, он будет вести себя так, как будто у нас есть другой источник питания, противодействующий этому току. Другими словами, генерация индуцированного тока в направлении, противоположном первоначальному току.

С другой стороны, если мы рассмотрим тот же индуктор, в этом случае ток убывает, опять же, в том же направлении. Итак, еще раз, стрелка ЭДС указывает в направлении протекания тока, но теперь ток становится все меньше и меньше, поэтому мы получим ЭДС самоиндукции через эту катушку индуктивности, но эта ЭДС проявится каким-то образом. что он попытается противостоять своему делу. Для этого он будет генерировать индуцированный ток, который будет течь в том же направлении, что и первоначальный ток. Поэтому он будет вести себя так, как будто у нас есть ε′ индуцированной электродвижущей силы, и он генерирует ток в том же направлении, что и исходный. Принимая во внимание, что в предыдущем случае этот индуцированный ток будет иметь направление, противоположное направлению исходного тока.

Хотя это не очень хорошее представление, но оно поможет вам понять, потому что, помните, мы не можем реально использовать стрелки ЭДС из-за электродвижущей силы, генерируемой в результате индукции. Что ж, именно из-за этих причин для первого случая мы можем рассматривать этот случай как момент, когда мы включаем переключатель, так что ток увеличивается от его, от 0 до его максимального значения. В то время как во втором случае мы можем визуализировать это как момент, когда мы выключаем переключатель, поэтому ток уменьшается от своего максимального значения до 0. В обоих случаях ни максимальное значение, ни 0 значение тока не будут достигнуты немедленно. Это займет некоторое время из-за самоиндуцированной электродвижущей силы.

Понимание собственной индуктивности для лучшего управления ЭДС

Ключевые выводы

Узнайте, что такое собственная индуктивность.
Изучение различий между собственной индуктивностью и взаимной индуктивностью
Узнайте, как собственная индуктивность влияет на конструкцию электроники.

В моем рождественском списке желаний на первом месте стоит индукционная плита. Прежде чем смеяться над парнем в возрасте около 30 лет, желающим получить подарок от Санты, выслушайте меня. Я сбился со счета, сколько раз я что-то обжигал, когда готовил на газовой плите. Однако индукционная плита может это исправить, если я не забуду установить таймер.

Немного менее смущающая и более техническая заметка: электромагнетизм никогда не переставал меня удивлять. Кто бы мог подумать, что можно приготовить вкусные блюда без огня на плите?

Но это не единственный удивительный факт об электромагнетизме. Самоиндукция сама по себе является своеобразным явлением, и вы скоро узнаете, почему.

Что такое собственная индуктивность?

Самоиндукция — это когда ЭДС сопротивляется изменению тока.

Скорее всего, вы уже знакомы с тем, как работает катушка индуктивности. Катушка индуктивности, которая обычно представлена несколькими витками катушек, создает магнитный поток, когда через нее проходит ток.

Интересно, что происходит с магнитным потоком, когда ток отключается или уменьшается. Вместо того, чтобы исчезнуть, магнитный поток пытается сопротивляться изменению, индуцируя ток, противодействующий изменению.

Другими словами, если ток уменьшается, магнитный поток будет создавать ток в противоположном направлении, и наоборот, когда ток, протекающий через индуктор, увеличивается.

Принцип самоиндукции был определен законом Ленца, который гласит, что ток, индуцируемый в изменяющемся магнитном поле, всегда течет против причины изменения. Противоположные изменения магнитного потока часто представляются напряжением ЭДС индукции по следующей формуле: характер индуцированного тока.

В электронике иногда встречается термин «обратная ЭДС», который является неофициальным названием самоиндукции.

Сравнение собственной индуктивности и взаимной индуктивности

Трансформатор является примером взаимной индуктивности.

Самоиндукцию никогда не следует путать с взаимной индуктивностью. В то время как в первом используется одна катушка или индуктор, взаимная индуктивность включает два или более индуктора.

При взаимной индуктивности магнитный поток, создаваемый индуктором, передается на соседний индуктор. Это заставляет второй индуктор индуцировать магнитный поток, противоположный изменению. На второй катушке индуктивности возникает противоположное напряжение, что приводит к соответствующему протеканию тока.

Звучит знакомо?

Взаимная индуктивность делает возможными трансформаторы, двигатели и генераторы. Передача электромагнитной энергии определяется количеством витков, расстоянием и сердечником, соединяющим оба индуктора.

Хотя взаимная индуктивность может быть полезной, она также может доставлять неудобства. Вы должны понимать, что дорожки на печатной плате также имеют определенную индуктивность. Когда высокоскоростной сигнал переключения проходит через один, ЭМП может накладываться на соседние сигналы и становиться причиной электромагнитных помех (ЭМП).

Самоиндукция в конструкции электроники

Самоиндукция помогает блокировать высокочастотный шум.

Как и взаимная индуктивность, самоиндукция может быть как другом, так и врагом в разработке электроники. Помните, что самоиндукция также известна как обратная ЭДС. Если вы проектируете механическое реле, обратная ЭДС вызывает беспокойство, когда реле размыкается.

Поскольку катушка внезапно размагничивается, обратная ЭДС индуцирует напряжение в обратном направлении, которое может повредить драйвер реле. В таких случаях вам понадобится обратноходовой диод для безопасного рассеивания нарастания обратного напряжения.

В цепи постоянного тока катушка индуктивности ведет себя как обычный проводник. Однако его импеданс увеличивается, когда через него проходит переменный ток. Это свойство индуктора является результатом самоиндукции. Его можно использовать конструктивно. Например, дроссель, представляющий собой фильтр нижних частот, блокирует прохождение высокочастотного шума.

Однако собственная индуктивность дорожек печатной платы может стать проблемой при работе с высокоскоростными сигналами. Он может ослаблять высокоскоростные сигналы, особенно в диапазоне ГГц, что может создавать проблемы для правильного функционирования схемы.

В следующий раз, когда вы будете проектировать схему, вам следует рассчитать собственную индуктивность во всех критических областях. Если вы используете передовое программное обеспечение для проектирования и анализа печатных плат, вы сможете с легкостью выполнять эти и другие симуляции. Например, Cadence PSpice — отличный инструмент для моделирования схем, в том числе с катушками индуктивности.

Если вы хотите узнать больше о том, какое решение у Cadence есть для вас, обратитесь к нам и нашей команде экспертов.