Магнитное поле. Явление электромагнитной индукции

• Название: Магнитное поле. Явление электромагнитной индукции
• Дата: 17.03.2023
• Размер: 125.62 Kb.
• Имя файла: 2_5224246275796381501.docx
• Тип: Реферат; #996979

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение «Прохоровская гимназия» Прохоровского района Белгородской области

Индивидуальный итоговый проект по физике
«Магнитное поле. Явление электромагнитной индукции»

Работа обучающегося

11 «Б» класса

Пуляева А.Е.

Руководитель проекта:

Рындин Р.Г.

учитель физики

Работа допущена к защите «_________» ________________201_______г.

Подпись руководителя проекта _______________________(____________)
Прохоровка

2023 г.

Содержание

Введение 1

Глава I. Понятие электромагнитной индукции. Закон Ленца. 3

1.1 Электромагнитная индукция 3

1.2 Закон Ленца 7

Глава II. Явление электромагнитной индукции 8

2.1 Электродвижущая сила 8

Глава III. Применение явления электромагнитной индукции 15

3.1 Электромагнитная индукция в современной технике 15

3.2 Практическое применение явления электромагнитной индукции 15

Заключение 18

Библиографический список 19

Введение

Актуальность индивидуального итогового проекта: понятие электромагнитной индукции является одним из ключевых понятий в физике, электромагнитная индукция окружает нас повсюду и умение эффективно применять и использовать её является одним из основных умений современного культурного и образованного человека – инженера, конструктора, учёного. Открытие электромагнитной индукции углубило наши представления об электромагнитном поле. Благодаря явлению индукции мир узнал, что такое электричество. Именно открытия в этой области позволили человеку создать электродвигатель, лампу накаливания, сети передачи энергии на дальни расстояния.

Цель проекта: изучить явление электромагнитной индукции и определить её роль в жизни людей: в промышленности, технике и быту.

Задачи:

1) Рассмотреть природу электромагнитной индукции.

2) Исследовать зависимость индукционного тока от других величин.

3) Рассмотреть принципы работы некоторых устройств, в основе работы которых лежит явление электромагнитной индукции.

4) Изучить научную литературу, цифровые образовательные ресурсы.

5) Сделать выводы по проделанной работе.

Объектом исследования является электромагнитная индукция, а предметом – её применение в жизни людей.

Методы исследования:

1. Теоретические (изучение, анализ, обобщение).

2. Эмпирические (наблюдение, беседы, измерения).

3. Интерпретационные (количественная и качественная обработка результата).

В качестве гипотезы была выдвинута идея о том, что электромагнитная индукция окружает нас повсюду (техника, быт), а её применение позволяет создавать различные по конструкции, но схожие по принципу действия механизмы, многие из которых являются важными в жизни людей. Электромагнитная индукция позволяет раскрыть и понять природу появления электричества, его свойств и возможного применения, как например, усовершенствование технологических процессов на производстве, основанных на явлении самоиндукции. Следует всегда помнить, что электрические и магнитные явления неразрывно связаны между собой и могут порождать друг друга.




















































Глава I. Понятие электромагнитной индукции. Закон Ленца.

1.1 Электромагнитная индукция
Электрические токи создают вокруг себя магнитное поле. Существует и обратное явление: магнитное поле вызывает появление электрических токов. Это явление было открыто М. Фарадеем в 1831 г. и получило название электромагнитной индукции.

Рассмотрим некоторые опыты, иллюстрирующие электромагнитную индукцию. Для этого воспользуемся двумя проволочными катушками 1 и 2 (рис. 1.1), одну из которых (1) можно одевать на другую (2). Соединим катушку 1 с гальванометром, а катушку 2 с источником тока. Если катушка 1 неподвижна относительно катушки 2 (т.е. относительно магнитного поля), то в цепи 1 не будет тока, как бы сильно ни было магнитное поле катушки 2.


Рисунок 1.1 - При движении катушки 1 в магнитном поле катушки 2 в цепи катушки 1 появляется ток.
Начнем теперь перемещать катушку 1. Мы увидим, что гальванометр покажет появление тока. Этот ток существует только при движении катушки, и он тем сильнее, чем быстрее движется катушка. Ток в цепи катушки 1 возникает и при сближении катушек, и при удалении их, однако токи в обоих случаях имеют противоположные направления.

Если оставить катушку 1 неподвижной, а двигать катушку с током 2, то гальванометр также показывает ток при движении катушки.

Мы могли бы оставить обе катушки 1 и 2 неподвижными, но изменять силу тока в катушке 2 при помощи реостата. Тогда при всяком изменении силы тока (т.е. магнитного поля) в цепи катушки 1 возникал бы ток. Направление тока в катушке 1 при усилении магнитного поля противоположно направлению тока при ослаблении поля; ток в катушке 1 не возникает, если магнитное поле остается постоянным.

Эти опыты показывают, что причиной появления индукционного тока является изменение магнитного поля. Каким образом создается это изменение, безразлично. В опыте, изображенном на рис. 1. обе катушки 1 и 2 неподвижны, но в катушку 2 мы вдвигаем или выдвигаем из нее железный сердечник С. При выдвигании сердечника он намагничивается, и магнитное поле усиливается; при выдвигании сердечника поле уменьшается. Ток в цепи катушки 1 течет только при движении сердечника.


Рисунок 1.2 - При движении железного сердечника С магнитное поле катушки 2 изменяется и в цепи катушки 1 появляется ток
Изменяющееся магнитное поле мы можем создать и движением постоянного магнита. Если вовсе удалить катушку с током 2 и вдвигать (или выдвигать) в катушку 1 постоянный магнит, то гальванометр также показывает ток. Этот ток возникает и в том случае, если движется катушка, а магнит находится в покое. Наблюдая направления тока при сближении магнита и катушки и при удалении, можно убедиться, что они противоположны, как и в предыдущих опытах.

Результаты своих многочисленных опытов Фарадей выразил в следующей наглядной форме. Будем изображать магнитное поле при помощи линий магнитной индукции. Тогда магнитная индукция будет характеризоваться густотой линий индукции. Представим себе теперь, что замкнутый проводник движется в магнитном поле и переходит в область более сильного поля. Тогда число линий индукции, охватываемых проводником, увеличится. Напротив, при движении проводника в область более слабого поля число линий индукции, охватываемых проводником уменьшится. Но магнитное поле есть поле вихревое, и его линии индукции не имеют концов. Вследствие этого линии индукции поля сцеплены с проволочным контуром наподобие звеньев цепи (рис. 3). Поэтому всякое изменение числа линий индукции, охватываемых контуром, может произойти только в результате пересечения ими проволочного контура.


Рисунок 1.3 - Замкнутый проводник и линии магнитной индукции «сцеплены» между собой.
Точно так же, если проводник находится в покое, но изменяется магнитная индукция, то при усилении поля густота линий индукции будет увеличиваться и они будут стягиваться друг к другу, а при ослаблении поля - расходиться друг от друга. И в этом случае произойдет пересечение некоторого числа линий индукции проводником. Поэтому Фарадей заключил, что индукционный ток возникает в проводнике в том случае, если проводник или какая-либо eго часть пересекает линии магнитной индукции.

Открытие электромагнитной индукции имело огромное научное и техническое значение. Это явление показало, что можно не только получить магнитное поле при помощи токов, но и, обратно, получить электрические токи при помощи магнитного поля. Этим была установлена окончательно взаимная связь между электрическими и магнитными явлениями.

1.2 Закон Ленца

Э.Х. Ленц установил важный закон, позволяющий определить направление индукционного тока. Он сформулировал найденный им закон следующим образом: «Если металлический проводник передвигается вблизи гальванического тока или вблизи магнита, то в нем возбуждается гальванический ток такого направления, которое вызвало бы движение покоящегося провода в направлении прямо противоположном направлению движения, навязанного здесь проводу извне, в предположении, что находящийся в покое провод может двигаться только в направлении этого последнего движения или в прямо противоположном». В более сжатой форме закон Ленца можно выразить так: индукционный ток во всех случаях направлен таким образом, что его действие противоположно действию причины, вызвавшей этот ток. Закон Ленца применим и к случаям, когда проводники неподвижны, а изменяется магнитное ноле (сила тока). В таком случае индукционные токи всегда вызывают поле, которое стремится противодействовать изменениям внешнего поля, вызвавшим эти токи. Так, например, если в опыте (см. рис. 1) катушки неподвижны, то при включении тока в катушку2 (его нарастании) направление тока в катушке 1 будет противоположно (индукционный ток стремится ослабить нарастающее поле катушки 2), а при выключении тока (его убывании) ток в катушке 1 будет направлен так же. как и в катушке2 (стремится поддержать ослабевающее магнитное поле). Закон Ленца вытекает из закона сохранения энергии. Действительно, индукционные токи, как и всякие электрические токи, производят определенную работу. Но это значит, что при движении замкнутого проводника в магнитном ноле должна быть произведена дополнительная работа внешних сил. Эта работа возникает потому, что индукционные токи, взаимодействуя с магнитным полем, вызывают силы, направленные противоположно движению, т.е. препятствующие движению.

Глава II. Явления электромагнитной индукции.

2.1 Электродвижущая сила

Анализируя данные своих экспериментов, М. Фарадей предложил количественный закон, описывающий электромагнитную индукцию. Ученый доказал, что каждый раз при изменении потока магнитной индукции, который сцеплен с проводящим контуром, в проводнике появляется ток индукции. Наличие индукционного тока означает то, что в цепи присутствует электродвижущая сила (ЭДС), которую в данном случае называют электродвижущей силой электромагнитной индукции ( ).

Величина тока индукции, а значит, и величина зависит от скорости изменения магнитного потока:



где Ф - поток магнитной индукции.

Определимся со знаком ЭДС индукции. Знак потока магнитной индукции связан с выбором положительной нормали к рассматриваемому проводящему контуру. А направление силы тока и направление нормали связывает правило правого буравчика (винта). Получается, что фиксируя направление нормали, мы устанавливаем знак магнитного потока, направление тока и   в контуре.

Сформулируем закон электромагнитной индукции Фарадея в окончательном виде:

Не зависимо от причины изменения магнитного потока, который охватывает замкнутый проводящий контур, электродвижущая сила индукции, появляющаяся в этом контуре равна:



где под  понимают полную скорость изменения потока магнитной индукции, охватываемого проводником.

Минус в формуле (2) указывает на то, что: При росте потока магнитной индукции (скорость изменения магнитного потока больше нуля), ЭДС индукции меньше нуля. При уменьшении потока магнитной индукции (скорость изменения магнитного потока меньше нуля), ЭДС индукции больше нуля. Что значит, направление потока и направление поля тока индукции совпадают.

Знак минус в формуле (2) – это математическое отображение правила Ленца, которое используют для того, чтобы найти направление тока индукции.

Закон Фарадея справедлив при:

1. 
   Произвольных перемещениях замкнутого проводящего контура;
   
2. 
   При любых его деформациях;
   
3. 
   Изменениях магнитного поля.
   

ЭДС индукции измеряется в Международной системе единиц (СИ) в вольтах.


Если проводник перемещается в магнитном поле, то на свободные электроны его вещества действуют силы Лоренца. Эти электроны под воздействием названной силы приходят в движение относительно проводника, что означает: в проводнике появляется ток.

В предыдущем пункте было выяснено, что изменения магнитного потока Ф через контур вызывают возникновение в контуре электродвижущей силы индукции ε_i.Чтобы найти связь между ε_i и скоростью изменения Ф, рассмотрим следующий пример.

Возьмем контур с подвижной перемычкой длины l (рис. 3.1а). Поместим его в однородное магнитное поле, перпендикулярное к плоскости контура и направленное за чертеж. Приведем перемычку в движение со скоростью v. С той же скоростью станут перемещаться относительно поля и носители тока в перемычке - электроны. В результате на каждый электрон начнет действовать направленная вдоль перемычки магнитная сила.

F_||=-e[vB] (3.1) (заряд электрона равен -е). Действие этой силы эквивалентно действию на электрон электрического поля напряженности

E=[vB].

Это поле неэлектростатического происхождения. Его циркуляция по контуру дает величину э. д. с., индуцируемой в контуре:

ε_i= (3.2)

(подынтегральная функция отлична от нуля лишь на образуемом перемычкой участке 1-2).

Чтобы по знаку ε_i, можно было судить о направлении, в котором действует э. д. с., будем считать ε_i положительной в том случае, когда ее направление образует с направлением нормали к контуру правовинтовую систему.

Выберем нормаль так, как показано на рис. 3.1. Тогда при вычислении циркуляции нужно обходить контур по часовой стрелке и соответственно выбирать направление векторов dl.

где l - вектор, показанный на рис. 3.1б. Осуществим в полученном выражении циклическую перестановку сомножителей, после чего умножим и разделим его наdt:

ε_i = B[lv] = . (3.3)



Рисунок 3.1 – Контур с подвижной перемычкой

Из рис. 3.1б видно, что

[l,vdt]= -BndS,

гдеdS - приращение площади контура за времяdt. По определению потока выражение BdS=BndS представляет собой поток через площадкуdS, т. е. приращение потокаdФ через контур. Таким образом,

В[1, vdt]= -BndS = -dФ.

С учетом этого выражению (3.3) можно придать вид

ε_{i = -} (3.4)

Мы получили, чтоdф/dt и ε_i имеют противоположные знаки. Знак потока и знак ε_i связаны с выбором направления нормали к плоскости контура. При сделанном нами выборе нормали (см. рис 3.1) знак dф/dtположительный, а знакε_i отрицательный. Если бы мы выбрали нормаль, направленную не за чертеж, а на нас, знакdф/dtбыл бы отрицательным, а знак ε_i положительным.

Единицей потока магнитной индукции в СИ служит вебер (Вб), который представляет собой поток через поверхность в 1м², пересекаемую нормальными к ней линиями магнитного поля с В, равной 1 Тл. При скорости изменения потока, равной 1 Вб/с, в контуре индуцируется э.д.с., равная (В).



Рисунок 3.2 – Действие сил на движущийся электрон

В рассуждениях, которые привели нас к формуле (4), роль сторонних сил, поддерживающих ток в контуре, играют магнитные силы. Работа этих сил над единичным положительным зарядом, равная по определению э. д. с., оказывается отличной от нуля. Это обстоятельство находится в кажущемся противоречии, утверждении о том, что магнитная сила работы над зарядом совершать не может. Противоречие устраняется, если учесть, что сила (1) представляет собой не полную магнитную силу, действующую на электрон, а лишь параллельную проводу составляющую этой силы, обусловленную скоростью v (см. силу F_||, на рис. 3.2). Под действием этой составляющей электрон приходит в движение вдоль провода со скоростью и, в результате чего возникает перпендикулярная к проводу составляющая магнитной силы:

F_┴= -е[uB] (эта составляющая не вносит вклада в циркуляцию, так как перпендикулярна к dl).

Полная магнитная сила, действующая на электрон,

F = F_┴+ F_||,

dA= F_||udt+ F_┴vdt = F_||udt- F_┴vdt

(направления векторов F_|| и u одинаковы, а векторов F_┴ и v противоположны; см. рис. 3.2). Подставив значения модулей сил: F_||=-evB иF_┴ =euB, получим, что работа полной магнитной силы равна нулю.

Сила F_┴ направлена противоположно скорости перемычки v. Поэтому для того, чтобы перемычка перемещалась с постоянной скоростью v, к ней нужно приложить внешнюю силу F_внеш, уравновешивающую сумму сил F_┴, приложенных ко всем электронам, содержащимся в перемычке. За счет работы этой силы и будет возникать энергия, выделяемая в контуре индуцированным током.

Рассмотренное нами объяснение возникновения э. д. с. индукции относится к случаю, когда магнитное поле постоянно, а изменяется геометрия контура. Однако магнитный поток через контур может изменяться также за счет изменения В. В этом случае объяснение возникновения э. д. с. оказывается в принципе другим. Изменяющееся со временем магнитное поле порождает вихревое электрическое поле Е. Под действием ноля Е носители тока в проводнике приходят в движение - возникает индуцированный ток. Связь между э. д. с. индукции и изменениями магнитного потока и в этом случае описывается формулой (3.4).

Пусть контур, в котором индуцируется э. д. с., состоит не из одного витка, а из N витков, например, представляет собой соленоид.

Поскольку витки соединяются последовательно, будет равна сумме э.д.с., индуцируемых в каждом из витков в отдельности:

ε_i = - = -

Величину Ψ = ∑Ф называют потокосцеплением или полным магнитным потоком. Ее измеряют в тех же единицах, что и Ф. Если поток, пронизывающий каждый из витков, одинаков, Ψ = NФ, Э. д. с., индуцируемая в сложном контуре, определяется формулой ε_i = - .

Глава III. Применение явления электромагнитной индукции

3.1 Электромагнитная индукция в современной технике

В настоящее время появляется всё больше техники с использованием явления электромагнитной индукции: плиты, зарядные устройства, электросчётчики, кофеварки, водонагреватели, тостеры, миксеры, утюги, настольные лампы и приборы для приготовления пищи и т.д. Чем же они отличаются от «добрых» старых электрических плит , проводных зарядных устройств? В чем их плюсы? Современному потребителю всё сложнее сделать выбор между техникой с использованием явления электромагнитной индукции и обычной. Возникает противоречие между желанием покупателя приобрести современный, надёжный, экономичный продукт и отсутствием у него необходимой информации для совершения осознанного выбора конкретной модели из огромного количества аналогов.

3.2 Практическое применение явления электромагнитной индукции

1) Синхрофазотроны. В настоящее время под магнитным полем понимают особую форму материи состоящую из заряженных частиц. В физике пучки заряженных частиц используют для проникновения в глубину атомов с целью их изучения. Сила, с которой действует магнитное поле на движущуюся заряженную частицу, называется силой Лоренца.

2) Генератор постоянного тока. В режиме генератора якорь машины вращается под действием внешнего момента. Между полюсами статора имеется постоянный магнитный поток, пронизывающий якорь. Проводники обмотки якоря движутся в магнитном поле и, следовательно, в них индуктируется ЭДС, направление которой можно определить по правилу «правой руки». При этом на одной щётке возникает положительный потенциал относительно второй. Если к зажимам генератора подключить нагрузку, то в ней пойдёт ток.

3) Радиовещание. Переменное магнитное поле, возбуждаемое изменяющимся током, создаёт в окружающем пространстве электрическое поле, которое в свою очередь возбуждает магнитное поле. Взаимно порождая друг друга, эти поля образуют единое переменное электромагнитное поле – электромагнитную волну. Возникнув в том месте, где есть провод с током, электромагнитное поле распространяется в пространстве со скоростью света.

4) Расходомеры-счётчики. Метод основан на применении закона Фарадея для проводника в магнитном поле: в потоке электропроводящей жидкости, движущейся в магнитное поле, наводится ЭДС, пропорциональная скорости потока, преобразуемая электронной частью в электрический аналоговый/цифровой сигнал.

5) Трансформаторы. Трансформаторы широко применяются при передаче электрической энергии на большие расстояния, распределение её между приёмниками, а также в различных выпрямительных, усилительных, сигнализационных и др. устройствах. Преобразование энергии в трансформаторе осуществляется переменным магнитным полем. Трансформатор представляет собой сердечник из тонких стальных изолированных пластин, на котором помещается две, а иногда и больше обмоток (катушек) из изолированного провода. Обмотка, к которой присоединяется источник электрической энергии переменного тока, называется первичной обмоткой остальные обмотки – вторичными. Если во вторичной обмотке трансформатора намотано в три раза больше витков, чем в первичной, то магнитное поле, созданное в сердечнике первичной обмоткой, пересекая витки вторичной обмотки создаст в ней в три раза большее напряжение. Применив трансформатор с обратным соотношением витков, можно легко получить пониженное напряжение.

6) Магнитотерапия: В спектре частот разные места занимают радиоволны, свет, рентгеновское излучение и другие электромагнитные излучения. Их обычно характеризуют непрерывно связанными между собой электрическими и магнитными полями. Однако при определенных условиях электрическая и магнитная составляющие становятся практически независимыми, и их можно рассматривать отдельно. «Магнитотерапия» (лечение магнитным полем) и «магнитобиология» (биологическое воздействие магнитным полем) — термины, относящиеся к низкочастотному диапозону. Для лечения с помощью электромедицинских аппаратов используют постоянное магнитное поле (франклинизация), магнитное поле 10-40 мГц (индуктотерапия), электрическое поле 25-50 мГц (УВЧ — терапия). Отмечено, что при воздействии магнитным полем происходит изменение окислительно-восстановительных процессов и перекисного окисления липидов, перестройка в звеньях эндокринной системы. Противовоспалительный эффект действия магнитного поля связывают с изменением в свертывающей и противосвертывающей системах крови, улучшением микроциркуляции, а также выбросом гормонов. Магнитотерапия применяется в имплантологии и травматологии, т.к. ускоряет процессы регенерации тканей.

Заключение

Явления электромагнитной индукции и его частные случаи широко применяются в электротехнике. Для преобразования механической энергии в энергию электрического тока используются синхронные генераторы. Для повышения или понижения напряжения переменного тока применяются трансформаторы. Использование трансформаторов позволяет экономично передавать электроэнергию от электрических станций к узлам потребления. В ходе выполнения индивидуального итогового проекта обозначили его актуальность, выполнили все поставленные задачи, используя разные методы исследования, и подтвердили гипотезу посредством изучения явления электромагнитной индукции определения её роли в промышленности и жизни людей.

Библиографический список

1. 
   Физика-учебник для 11 класса, авторы: Г.Я. Мякишев и Б.Б. Буховцев, М. Просвещения , издание 2017 г.
   
2. 
   Электрические машины, Л.М. Пиотровский, «Энергия», 1972 г.
   
3. 
   [Электронный ресурс]. Электромагнитная индукция. < https://ru.wikipedia.org/>
   
4. 
   [Электронный ресурс]. Практическое применение явления электромагнитной индукции.
   

5. 
   Физика -учебное пособие для техникумов, автор В.Ф. Дмитриева, издание Москва "Высшая школа" 2004.
   
6. 
   Курс физики, Учебное пособие для вузов. Т.И. Трофимова, 2007.
   
7. 
   [Электронный ресурс].Фарадей. Открытие электромагнитной индукции.
   

< http://www.e-reading.club/chapter.php/26178/78/Karcev_-_Maksvell.html >