Изучение явления электромагнитной индукции

Цель работы: изучить условия возникновения индукционного тока, ЭДС индукции.

Оборудование: катушка, два полосовых магнита, миллиамперметр.

Теория

Взаимная связь электрических и магнитных полей была установлена выдающимся английским физиком М. Фарадеем в 1831 г. Он открыл явление электромагнитной индукции.

Многочисленные опыты Фарадея показывают, что с помощью магнитного поля можно получить электрический ток в проводнике.

Явление электромагнитной индукции заключается в возникновении электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего контур.

Ток, возникающий при явлении электромагнитной индук­ции, называют индукционным.

В электрической цепи (рисунок 1) возникает индукционный ток, если есть движение магнита относительно катушки, или наоборот. Направление индукционного тока зависит как от направления движения магнита, так и от расположения его полюсов. Индукционный ток отсутствует, если нет относительного перемещения катушки и магнита.

Рисунок 1.

Строго говоря, при движении контура в магнит­ном поле генерируется не определенный ток, а определенная э. д. с.

Рисунок 2.

Фарадей экспериментально установил, что при изменении магнитного потока в проводящем контуре возникает ЭДС индукции E_инд, равная скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, взятой со знаком минус:

Эта формула выражает закон Фарадея: э. д. с. индукции равна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограни­ченную контуром.

Знак минус в формуле отражает правило Ленца.

В 1833 году Ленц опытным путем доказал утверждение, которое называется правилом Ленца: индукционный ток, возбуждаемый в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, всегда направлен так, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызывающего индукционный ток.

При возрастании магнитного потока Ф>0, а ε_инд < 0, т.е. э. д. с. индукции вызывает ток такого направления, при котором его маг­нитное поле уменьшает магнитный поток через контур.

При уменьшении магнитного потока Ф<0, а ε_инд > 0, т.е. магнитное поле индукционного тока увеличивает убывающий магнитный поток через контур.

Правило Ленца имеет глубокий физический смысл – оно выражает закон сохранения энергии: если магнитное поле через контур увеличивается, то ток в контуре направлен так, что его магнитное поле направлено против внешнего, а если внешнее магнитное поле через контур уменьшается, то ток направлен так, что его магнитное поле поддерживает это убывающее магнитное поле.

ЭДС индукции зависит от разных причин. Если вдвигать в катушку один раз сильный магнит, а в другой — слабый, то показания прибора в первом случае будут более высокими. Они будут более высокими и в том случае, когда магнит движется быстро. В каждом из проведённых в этой работе опыте направление индукционного тока определяется правилом Ленца. Порядок определения направления индукционного тока показан на рисунке 2.

На рисунке синим цветом обозначены силовые линии магнитного поля постоянного магнита и линии магнитного поля индукционного тока. Силовые линии магнитного поля всегда направлены от N к S – от северного полюса к южному полюсу магнита.

По правилу Ленца индукционный электрический ток в проводнике, возникающий при изменении магнитного потока, направлен таким образом, что его магнитное поле противодействует изменению магнитного потока. Поэтому в катушке направление силовых линий магнитного поля противоположно силовым линиям постоянного магнита, ведь магнит движется в сторону катушки. Направление тока находим по правилу буравчика: если буравчик (с правой нарезкой) ввинчивать так, чтобы его поступательное движение совпало с направлением линий индукции в катушке, тогда направление вращения рукоятки буравчика совпадает с направлением индукционного тока.

Поэтому ток через миллиамперметр течёт слева направо, как показано на рисунке 1 красной стрелкой. В случае, когда магнит отодвигается от катушки, силовые линии магнитного поля индукционного тока будут совпадать по направлению с силовыми линиями постоянного магнита, и ток будет течь справа налево.

Ход работы.

Подготовьте для отчета таблицу и по мере проведения опытов заполните её.

№ п/п	Действия с магнитом и катушкой	Показания милли-амперметра, мА	Направления отклонения стрелки миллиампер-метра (вправо, влево или не откланяется)	Направление индукционного тока (по правилу Ленца)
1	Быстро вставить магнит в катушку северным полюсом
2	Оставить магнит в катушке неподвижным после опыта 1
3	Быстро вытащить магнит из катушки
4	Быстро приблизить катушку к северному полюсу магнита
5	Оставить катушку неподвижной после опыта 4
6	Быстро вытащить катушку от северного полюса магнита
7	Медленно вставить в катушку магнит северным полюсом
8	Медленно вытащить магнит из катушки
9	Быстро вставить в катушку 2 магнита северными полюсами
10	Быстро вставить магнит в катушку южным полюсом
11	Быстро вытащить магнит из катушки после опыта 10
12	Быстро вставить в катушку 2 магнита южными полюсами

 

Записать общий вывод по работе на основе проведённых наблюдений.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

1. В чем заключается явление электромагнитной индукции?

2. Какой ток называют индукционным?

3. Сформулируйте закон электромагнитной индукции. Какой формулой он описывается?

4. Как формулируется правило Ленца?

5. Какова связь правила Ленца с законом сохранения энергии?

 

Лабораторная работа № 11
Исследование периода колебаний математического маятника

от длины нити

Цель работы: исследовать зависимость периода колебаний математического маятника от длины нити

Приборы и материалы: математический маятник, секундомер, штатив, сантиметровая лента

Порядок выполнения работы:

1. Поставьте штатив на край стола, закрепите в лапке кольцо

 

 

2. Привяжите к кольцу нить математического маятника длиной  =1 м

3. Отклоните шарик математического маятника на 5 – 8 см от положения равновесия и отпустите

4. Замерьте время  с помощью секундомера колебаний

5. Рассчитайте период колебаний маятника по формуле

6. Изменяйте несколько раз длину нити на 20 см и повторяйте п. 3 – 5

7. Результаты измерений занесите в отчетную таблицу

8. Постройте график зависимости периода колебаний от длины нити

9. На основании построенных графиков сделайте вывод

 

ОТЧЕТНАЯ ТАБЛИЦА

, м
, с
, с

Ответьте на вопросы.

1. Увеличили или уменьшили длину маятника, если:

a. период его колебаний сначала был 0,3 с, а после изменения длины стал 0,1 с;

b. частота его колебаний вначале была равна 5 Гц, а потом уменьшилась до 3 Гц?

2. Из пяти приведенных ниже утверждений выберите верное.
При увеличении длины нити маятника в 4 раза период его колебаний:

1. увеличивается в 4 раза;

2. уменьшается в 4 раза;

3. увеличивается в 2 раза;

4. уменьшается в 2 раза;

5. увеличивается в 16 раз.

 

Лабораторная работа № 12