Урок № 25 Досліди Фарадея. Закон електромагнітної індукції

Тема: Досліди Фарадея. Закон електромагнітної індукції.

Мета уроку: Формувати уявлення про взаємозв’язок між електричним і магнітним полями; формувати знання про явище електромагнітної індукції та його практичне значення, закон електромагнітної індукції; продовжити формувати вміння аналізувати досліди. Розвивати вміння узагальнювати і систематизувати знання. Виховувати уважність, зібраність, спостережливість.

Перегляньте запропоноване відео.

Це не диво, а фізичне явище, пояснення якого ви знайдете в кінці уроку.

 1. Досліди Фарадея

Практично одразу після того, як Ерстед відкрив явище виникнення навколо провідника зі струмом магнітного поля, Майкл Фарадей замислився над питанням симетрії в природі: якщо струм, тобто рухомий заряд, а отже змінне електричне поле, породжує поле магнітне, то чи не повинен існувати в природі зворотній механізм – змінне магнітне поле має породжувати поле електричне. В своєму щоденнику Фарадей записав: «Перетворити магнетизм на електрику». Цілих десять років знадобилося йому для того, щоб досягти в цьому успіху. Помилка вченого була в тому, що він намагався отримати струм, помістивши провідник у постійне магнітне поле. І тільки у 1831р. його зусилля увінчалися успіхом. 29 серпня 1831 р. після понад 16 тисяч дослідів англійський фізик і хімік Майкл Фарадей одержав електричний струм за допомогою магнітного поля постійного магніту.

Ось як описував історію відкриття Фарадей у своїй статті: На широку дерев’яну котушку була намотана мідна проволока довжиною 203 фути та між витками її намотана проволоку такої ж довжини, ізольована від першою бавовняною ниткою. Одна з цих спіралей була з’єднана з гальванометром, а інша – з сильною батареєю. При замиканні кола вдавалося відмітити раптову, але доволі слабку дію на гальванометр, і те ж саме відмічалося при зникненні струму. Під час неперервного протікання струму через одну з спіралей жодної дії на гальванометр чи на іншу спіраль не спостерігалося, незважаючи на те, що нагрівання спіралі, з’єднаної з батареєю, та яскравість іскри, що проскакувала, свідчила про потужність батареї. Отже Майкл Фарадей встановив, що коли змінюється магнітний потік крізь замкнутий провідний контур, в цьому контурі з’являється індукційний струм. Той факт, що під час протікання постійного струму в одній з котушок, в іншій індукційний струм не виникає, свідчить про те, що тільки змінне магнітне поле може породжувати індукційний струм.

Практично одночасно з Фарадеєм аналогічні досліди проводив швейцарський фізик Коладон. Але оскільки він працював самостійно, то не було кому помітити відхилення стрілки гальванометра в той час, коли він рухав одну котушку всередині іншої. Таким чином, слава наукового відкриття дісталася не Коладону.

В це же час американський фізик Джозеф Генрі також успішно проводив  досліди по індукції струмів, але поки він збирався опублікувати результати своїх досліджень, в печаті з’явилось  повідомлення М. Фарадея про відкриття ним електромагнітної індукції.

Проведемо дослід

Візьмемо котушку, замкнемо її на гальванометр і введемо в котушку постійний магніт. Під час руху магніту стрілка гальванометра відхилиться – це свідчить про наявність струму (рис. а). Чим швидше рухати магніт, тим сильнішим буде струм; якщо рух магніту припинити, припиниться і струм – стрілка повернеться на нульову позначку (рис. б). Виймаючи магніт із котушки, помітимо, що стрілка гальванометра відхилиться в іншому напрямку (рис. в); після припинення руху магніту стрілка повернеться на нульову позначку.
Якщо залишити магніт нерухомим, а рухати котушку, в котушці теж виникне електричний струм.

Перевірте побачене на відео за допомогою PhET симуляції.

Проведемо дослід

Візьмемо дві котушки – А і В – і надінемо їх на спільне осердя. Котушку В через реостат приєднаємо до джерела струму, а котушку А замкнемо на гальванометр. Якщо пересувати повзунок реостата, то через котушку А буде йти електричний струм.
Струм в котушці А виникатиме як під час збільшення, так і під час зменшення сили струму в котушці В.
А от напрямок струму буде різним: у разі збільшення сили струму стрілка гальванометра відхилятиметься в один бік, а в разі зменшення – в інший.
Струм у котушці А виникатиме також у момент замикання або в момент розмикання кола котушки В.

З проведених дослідів робимо висновок:
Індукційний струм – це струм, отриманий у замкненому провіднику внаслідок зміни зовнішнього магнітного поля.

2. Потік магнітної індукції

Індукційний струм у замкненому провідному контурі виникає тоді, коли змінюється кількість ліній магнітної індукції, що пронизують поверхню, обмежену контуром. Кількість ліній магнітної індукції, що пронизують певну поверхню, характеризує фізична величина, яку називають потік магнітної індукції або магнітний потік.

Потік магнітної індукції (магнітний потік) – це фізична величина, яка характеризує розподіл магнітного поля по поверхні, обмеженій замкненим контуром, і чисельно дорівнює добуткові магнітної індукції В на площу поверхні S та на косинус кута  α між вектором магнітної індукції і нормаллю n до поверхні.

Φ=BS cos⁡α

Одиниця магнітного потоку в СІ – вебер (названа на честь німецького фізика Вільгельма Едуарда Вебера (1804-1891)):

1 вебер–це максимальний магнітний потік, який створюється магнітним полем індукцією 1 тесла через поверхню площею 1 метр квадратний.

 1 Вб=1 Тл∙м^2

Зверніть увагу!

•   Магнітний потік буде максимальним, якщо поверхня перпендикулярна до ліній магнітної індукції, і дорівнюватиме нулю, якщо поверхня паралельна цим лініям.

•   Якщо магнітне поле неоднорідне і (або) поверхня не є плоскою, можна знайти магнітні потоки через невеликі ділянки  поверхні та їх алгебраїчним додаванням визначити загальний магнітний потік.

3. Закон електромагнітної індукції

Проблемне питання

• Коли виникає індукційний струм?

Загальні закономірності в дослідах Фарадея:

1.Електричний струм у замкненому провідному контурі індукується тільки тоді, коли змінюється магнітний потік через поверхню, обмежену контуром.

2.Чим швидше змінюється магнітний потік, тим більшою є сила індукційного струму в контурі.

3.Напрямок індукційного струму в контурі залежить від того, збільшується чи зменшується магнітний потік через поверхню, обмежену контуром.

Проблемне питання

• Чому в контурі взагалі є електричний струм, адже контур не приєднаний до джерела живлення?

Поява струму може означати тільки одне: під час зміни магнітного потоку виникають сторонні (не кулонівські) сили, які й «працюють» у контурі, переміщуючи в ньому електричні заряди.

Електрорушійна сила індукції (ЕРС індукції) εi – це робота сторонніх сил Aст із переміщення одиничного позитивного заряду. 

εi=Aст /q

Силу індукційного струму Іі  , в контурі опором R визначають за законом Ома:

Ii=εi /R

Закон електромагнітної індукції:

Електрорушійна сила індукції дорівнює швидкості зміни магнітного потоку, який пронизує поверхню, обмежену контуром.

εi=-∆Φ/∆t

Знак «мінус» відображає правило Ленца.

 Зверніть увагу!

•Якщо магнітний потік змінюється нерівномірно, слід розглядати його зміну за дуже малий інтервал часу ∆t→0; у такому випадку закон електромагнітної індукції набуває вигляду:   εi=-Φ'(t)

•Якщо контур містить N витків проводу, то ЕРС індукції дорівнює:

εi=-N•∆Φ/∆t=-N•Φ'(t)

4. Правило Ленца

Правило для визначення напрямку індукційного струму сформулював російський учений Генріх Ленц (1804-1865).

Правило Ленца:

Індукційний струм, який виникає в замкненому провідному контурі, має такий напрямок, що створений цим струмом магнітний потік перешкоджає зміні магнітного потоку, який спричинив появу індукційного струму.

Проведемо дослід

Для демонстрації правила Ленца зручно скористатися пристроєм конструкції самого Ленца «Кільцями Ленца». Пристрій являє собою два алюмінієві кільця (суцільне та розрізане), закріплені на алюмінієвому коромислі, яке може легко обертатися навколо вертикальної осі.
     •Якщо магніт наближати до суцільного кільця, то в кільці виникне індукційний струм. Цей струм створить біля кільця магнітне поле , напрямлене проти зовнішнього поля , тому кільце відштовхнеться від магніту.

•Якщо магніт віддаляти від суцільного кільця, то кільце притягуватиметься до магніту.
 •Рухаючи магніт відносно розрізаного кільця, жодних ефектів не спостерігатимемо.

     

Ось ми і отримали пояснення відео експерименту з магнітом, що гальмується при падінні у мідній трубці.

5. Причини виникнення ЕРС індукції

Проблемне питання

• Звідки беруться сторонні сили, що діють на заряди в провіднику?

Причини виникнення ЕРС індукції:

1. Провідник рухається в магнітному полі

У цьому випадку на вільні електрони, що рухаються разом із провідником, діє сила Лоренца:  FЛ=|q|Bv sin⁡α

Під дією цієї сили електрони відповідно до правила лівої руки зміщуються вздовж провідника. У результаті провідник поляризується: один його кінець набуває негативного заряду (туди «прийшли» електрони), а другий кінець – позитивного.

Якщо провідник замкнути, то в колі виникне індукційний струм. Джерелом струму в колі буде рухомий провідник, а сторонньою силою, що виконує роботу всередині джерела, – сила Лоренца:  Aст=FЛ∙l=|q|Bv sin⁡α∙l

Оскільки  εi=Aст /q маємо формулу для розрахунку ЕРС індукції в рухомому провіднику:        εi=Bvl sin⁡α

У випадку з рухомим провідником сторонні сили мають магнітну природу.

2. Магнітне поле, в якому перебуває нерухомий провідник, змінюється

У цьому випадку сторонні сили мають електричну природу, адже змінне магнітне поле завжди супроводжується появою вихрового електричного поля. Саме вихрове електричне поле діє на вільні заряджені частинки в провіднику та надає їм напрямленого руху, створюючи індукційний струм.

Властивості вихрового електрично поля:

• Лінїі напруженості вихрового електричного поля є замкненими. Напрямок цих ліній можна визначити за допомогою правої руки: якщо магнітна індукція магнітного поля, яке є причиною створення вихрового поля, збільшується, то великий палець спрямовуємо протилежно до напрямку В; якщо магнітна індукція магнітного поля зменшується, то великий палець спрямовуємо за напрямком В.

• Робота вихрового електричного поля на замкненій траєкторії зазвичай не дорівнює нулю.

Явище електромагнітної індукції – це явище виникнення вихрового електричного поля або електричної поляризації провідника під час зміни магнітного поля або під час руху провідника в магнітному полі.

ДОМАШНЄ ЗАВДАННЯ

Опрацювати §13 п. 1-5.

Вправа № 13 (1,4)

Урок №3 Розв'язування задач

 Тема: Розв’язування задач

Мета: Закріпити знання за темою «Електричний струм. Послідовне і паралельне з’єднання провідників. Шунти і додаткові опори», продовжити формувати навички та вміння розв’язувати фізичні задачі, застосовуючи отримані знання. Розвивати уміння правильно розподіляти час; самостійність у навчанні; вміння самостійно застосовувати правила, закони. Виховання дисципліни, чесності, відповідальності.

Перевірити виконання вправи № 2: завдання 4, 5.

РОЗВ'ЯЗУВАННЯ ЗАДАЧ

1. Загальний опір двох провідників при послідовному з’єднанні 25 Ом, а при паралельному 6 Ом. Знайдіть опір кожного провідника.

2. Який додатковий опір необхідно підключити до вольтметра, щоб розширити межі вимірювання від 50 В до 500 В? Опір вольтметра 1000 Ом.

3. Межу вимірювання міліамперметра, власний опір якого 9 Ом, необхідно розширити від 1 мА до 10 мА. Знайдіть опір шунта.

Домашнє завдання

Повторити §2, Вправа № 2(6, 7)

Урок №2 Послідовне і паралельне з’єднання провідників.

Тема: Послідовне і паралельне з’єднання провідників. Шунти і додаткові опори.

Мета уроку: Закріпити і поглибити знання учнів про закономірності, що існують у колах з послідовним і паралельним з’єднаннями провідників; ознайомити учнів з методами розширення меж вимірювання амперметра та вольтметра; формувати вміння обчислювати параметри простих комбінованих з’єднань. Розвивати вміння узагальнювати і систематизувати знання; розвивати необхідність постійного самовдосконалення і самоосвіти. Виховувати уважність, зібраність, спостережливість.

Перевірити правильність виконання домашнього завдання впр.1 №2-3

 

  На цьому уроці вам пропонується: прочитати та написати в зошиті конспект §2, переглянути наступні відео, та виконати завдання. 

Розрахунок кола з послідовним та паралельним з'єднанням провідників.

Подумайте, які закономірності простежуються у наступних відео.

Послідовне з’єднання провідників

Паралельне з’єднання провідників 

ЗАКРІПЛЕННЯ НОВИХ ЗНАНЬ І ВМІНЬ

З допомогою віртуальної лабораторії перевірте основні закономірності послідовного та паралельного з'єднання провідників.

Складіть електричне коло з послідовним і паралельним  з'єднанням лампочок.

Використовуйте амперметр та вольтметр, щоб виміряти силу струму і напругу.

Надайте пояснення результатам отриманих при вимірюванні струмів і напруг у схемах.

Домашнє завдання

Опрацювати § 2, Вправа № 2 (4, 5)

Підготуватись до самостійної роботи.

Урок №1 Електричний струм

 

Тема: Електричний струм.

Мета уроку: Поглибити і закріпити знання учнів про умови виникнення електричного струму, сили струму, напругу, опір провідника, закон Ома для ділянки кола. Сприяти збагаченню словникового запасу; формуванню пізнавальної самостійності; розвитку спостережливості, уваги, пам’яті, уяви, мислення; виробленню звички до планування своїх дій. Виховувати уважність, зібраність, спостережливість.

1. Електричний струм

Електричний струм – це напрямлений (упорядкований) рух частинок, які мають електричний заряд.

Умови існування електричного струму:

1) наявність вільних заряджених частинок – носіїв струму;

2) наявність електричного поля, дія якого створює та підтримує напрямлений рух вільних заряджених частинок.

Джерела струму – пристрої, які перетворюють різні види енергії на електричну енергію.

У джерелах електричного струму виконується робота з розділення різнойменних електричних зарядів, у результаті чого на одному полюсі джерела накопичується позитивний заряд, а на другому – негативний; у такий спосіб створюється електричне поле (акумулятори, гальванічні елементи, електромеханічні генератори, сонячні батареї).

Дії електричного струму:

Теплова (нагрівання провідника).

Хімічна (хімічне розкладання речовини).

Магнітна (набуття магнітних властивостей).

Світлова (електрична енергія частково перетворюється на енергію світла).

2. Електричне коло

Найпростіше електричне коло являє собою з’єднані провідниками в певному порядку джерело струму, споживач електричної енергії, замикальний (розмикальний) пристрій.

Електрична схема – це креслення, на якому умовними позначеннями показано, з яких елементів складається електричне коло і яким чином ці елементи з'єднані між собою.

За напрямок струму в колі прийнято напрямок, у якому рухалися б по колу позитивно заряджені частинки, тобто напрямок від позитивного полюса джерела струму до негативного.

Умовні позначення деяких елементів електричного кола

3. Сила струму

Сила струму в провіднику – це фізична величина, яка характеризує електричний струм і чисельно дорівнює заряду,що проходить через поперечний переріз провідника за одиницю часу.     I= q/t

Одиниця сили струму в СІ – ампер: [ I ]=1 А

1 А дорівнює силі струму, який, проходячи в двох паралельних провідниках нескінченної довжини та нехтовно малої площі перерізу, розташованих у вакуумі на відстані 1 м один від одного, викликав би на кожній ділянці провідників завдовжки 1 м силу взаємодії 2ꞏ10⁻⁷ Н.

Прилад для вимірювання сили струму – амперметр. Амперметр вмикають в коло послідовно зі споживачем, в якому вимірюють силу струму.

4. Електрична напруга

Електрична напруга на ділянці кола – фізична величина, яка характеризує електричне поле на ділянці кола і чисельно дорівнює роботі електричного поля з переміщення по цій ділянці одиничного позитивного заряду.

  U= A/q.

Одиниця напруги в СІ – вольт: [U]=1 В

1 В – це така напруга на ділянці кола, за якої електричне поле виконує роботу 1 Дж, переміщуючи по цій ділянці заряд 1 Кл.

1 В=1Дж/Кл

Прилад для вимірювання напруги – вольтметр. Вольтметр приєднують до електричного кола паралельно ділянці, на якій вимірюють напругу.

5. Електричний опір

Електричний опір – фізична величина, яка характеризує властивість провідника протидіяти електричному струму.

Одиниця опору в СІ – ом: [R]=Ом

1 Ом–це опір такого провідника, в якому тече струм силою 1 А за напруги на кінцях провідника 1 В.

1 Ом=1 В/А

Опір циліндричного провідника:   R=ρ l/S

ρ – питомий опір речовини, з якої виготовлений провідник; l– довжина провідника; S – площа поперечного перерізу провідника.

Питомий опір речовини – фізична величина, яка характеризує електричні властивості речовини та чисельно дорівнює опору виготовленого з неї провідника довжиною 1 м і з площею поперечного перерізу 1 м2.

Одиниця питомого опору в СІ – ом-метр: [ρ]=Ом∙м

Питомий опір істотно залежить від температури.

Питомий опір деяких речовин при температурі 20 °С

6. Закон Ома для ділянки кола 

Закон Ома для ділянки кола:

Сила струму в ділянці кола прямо пропорційна напрузі на кінцях ділянки та обернено пропорційна опору цієї ділянки.

I=U/R

Вольт-амперною характеристикою провідника, матеріалу чи пристрою називається залежність струму в ньому від прикладеної напруги. Вольт-амперна характеристика зображується зазвичай у вигляді графіка, в якому напруга відкладається вздовж осі абсцис, а струм — вздовж осі ординат.

З допомогою віртуальної лабораторії проведіть дослідження і побудуйте вольт-амперну характеристику провідника.

Побудуйте електричні кола за довільними схемами.

Використовуйте амперметр та вольтметр, щоб виміряти силу струму і напругу.

Перевірте основні закономірності що вивчались на уроці.

ДОМАШНЄ ЗАВДАННЯ   

Опрацювати § 1, Вправа № 1 (2, 3)