Лабораторная работа изучение явления электромагнитной индукции ответы: ГДЗ тетрадь для лабораторных работ по физике 9 класс Минькова ЛР-4. Изучение явления электромагнитной индукции Номер ЛР-4. Изучение явления электромагнитной индукции

Урок 38. Лабораторная работа № 09 «Изучение явления электромагнитной индукции»

Лабораторная работа № 9

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?

     Презентация для демонстрации студентам (с решением): скачать с Яндекс-Диск 

Лабораторная работа «Изучение явления электромагнитной индукции» | Материал по физике:

Опубликовано 29.01.2020 — 19:42 — Капустина Александра Евгеньевна

экспериментальное изучение  явления электромагнитной индукции.

Скачать:

Предварительный просмотр:

Лабораторная работа № 4.

«Изучение явления электромагнитной индукции»

Цель урока: экспериментальное изучение  явления электромагнитной индукции.

Оборудование: миллиамперметр, катушка, соединительные провода, подковообразный магнит.

Порядок выполнения работы:

1. 
   Собираем цепь по схеме на рис 1а:

2. Выполняем опыты и заполняем таблицу. 

• Вдвигайте магнит в катушку. Следите за показаниями прибора.
• Магнит находится в катушке в состоянии покоя. Следите за показаниями прибора.
• Выдвигайте магнит из катушки. Следите за показаниями прибора.

№ п\п	Действия с катушкой и магнитом	Показания мили амперметра	Направление индукционного тока (По правилу Ленца)
	Вводить постоянный магнит в катушку
	Магнит находится в катушке
	Выведении магнита из катушки
	Катушка надевается на магнит
	Катушка находится на магните
	Катушка снимается с магнит а

Если в катушку вводить постоянный магнит, то амперметр покажет наличие электрического тока в цепи.

Если магнит находится в катушке в состоянии покоя, амперметр показывает: тока в цепи нет. При выведении магнита из катушки в цепи появляется ток противоположного направления, регистрируемый амперметром.

По теме: методические разработки, презентации и конспекты

Лабораторная работа «Изучение явления электромагнитной индукции»

Данный материал представляет собой описание проведения лабораторной работы «Изучение явления электромагнитной индукции» обучающимися 9 и 11 классов. Работа предполагает поэтапное изучение явления элек…

Презентация урока физики в 11 классе по теме «Явление электромагнитной индукции .Магнитный поток. Правило Ленца. Закон электромагнитной индукции»

В презентации иллюстрируются опыты Фарадея по ЭМИ, дается понятие магнитного потока, устанавливается правило Ленца и закон ЭМИ….

Явление электромагнитной индукции. Магнитный поток. Закон электромагнитной индукции.

Презентация  по теме » Явление электромагнитной индукции. Магнитный поток. Закон электромагнитной индукции» может   быть использована на уроке физики в 11 классе при объяснении и закре…

Урок лабораторного эксперимента в 9 классе по теме: «Изучение явления электромагнитной индукции»

Урок лабораторного эксперимента   в 9-м классе по теме: «Изучение явления электромагнитной индукции» был проведен с применением технологии «Личностно-ориентированного обуче…

Лабораторная работа по физике 11 класс. Тема: «Изучение явления электромагнитной индукции»

Лабораторная работа по физике 11 класс по теме: «Изучение явления электромагнитной индукции&raquo…

Урок №82 «Лабораторная работа № 14 «Изучение явления электромагнитной индукции» Переменный ток. Трансформатор. Передача электроэнергии на расстояние. (видео занятия платформа ZOOM)

В рамках дистанционного обучения разработан план заняий дл учащихся 8А класса (предпрофиль физмат)…

Лабораторная работа «Изучение явления электромагнитной индукции» в режиме дистанционного обучения

Данный файл содержит подробные указания для учащихся по методике выполнения  лабораторной работы «Изучение явления электромагнитные индукции» в 11 классе в домашних условиях в услових д. ..

Поделиться:

 

20.3 Электромагнитная индукция — физика

Раздел Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете делать следующее:

• Объяснять, как изменяющееся магнитное поле создает ток в проводе
• Расчет индуцированной электродвижущей силы и тока

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Цели обучения в этом разделе помогут вашим учащимся освоить следующие стандарты:

• (5) Учащийся знает природу сил в физическом мире. Ожидается, что студент:
  • (Г) исследовать и описывать взаимосвязь между электрическими и магнитными полями в таких приложениях, как генераторы, двигатели и трансформаторы.

Кроме того, в Руководстве по физике для старшей школы OSX рассматривается содержание этого раздела лабораторной работы под названием «Магнетизм», а также следующие стандарты:

• (5) Научные концепции. Учащийся знает природу сил в физическом мире. Ожидается, что студент:
  • (ГРАММ) исследовать и описывать взаимосвязь между электрическими и магнитными полями в таких приложениях, как генераторы, двигатели и трансформаторы.

Основные термины раздела

ЭДС

индукция

магнитный поток

Изменение магнитных полей

В предыдущем разделе мы узнали, что ток создает магнитное поле. Если природа симметрична, то, возможно, магнитное поле может создавать ток. В 1831 году, примерно через 12 лет после открытия того, что электрический ток создает магнитное поле, английский ученый Майкл Фарадей (1791–1862) и американский ученый Джозеф Генри (1797–1878) независимо продемонстрировали, что магнитные поля могут создавать токи. Основной процесс генерации токов магнитными полями называется индукцией; этот процесс также называют магнитной индукцией, чтобы отличить его от индукционной зарядки, в которой используется электростатическая кулоновская сила.

Когда Фарадей открыл то, что сейчас называется законом индукции Фарадея, королева Виктория спросила его, как можно использовать электричество. «Мадам, — ответил он, — что хорошего в ребенке?» Сегодня токи, вызванные магнитными полями, необходимы для нашего технологического общества. Электрический генератор, который можно найти во всем, от автомобилей до велосипедов и атомных электростанций, использует магнетизм для выработки электрического тока. К другим устройствам, использующим магнетизм для индукции тока, относятся катушки звукоснимателей в электрогитарах, трансформаторы любого размера, некоторые микрофоны, ворота безопасности в аэропортах и ​​демпфирующие механизмы на чувствительных химических весах.

Один из экспериментов Фарадея для демонстрации магнитной индукции заключался в перемещении стержневого магнита через проволочную катушку и измерении результирующего электрического тока через провод. Схема этого эксперимента показана на рис. 20.33. Он обнаружил, что ток индуцируется только тогда, когда магнит движется относительно катушки. Когда магнит неподвижен относительно катушки, ток в катушке не индуцируется, как показано на рис. 20.33. Кроме того, перемещение магнита в противоположном направлении (сравните рис. 20.33 с рис. 20.33) или изменение полюсов магнита (сравните рис. 20.33 с рис. 20.33) приводит к возникновению тока в противоположном направлении.

Рисунок 20.33 Движение магнита относительно катушки производит электрические токи, как показано. Такие же токи возникают, если катушку перемещать относительно магнита. Чем больше скорость, тем больше величина тока, а ток равен нулю, когда нет движения. Ток, возникающий при перемещении магнита вверх, имеет направление, противоположное току, возникающему при перемещении магнита вниз.

Виртуальная физика

Закон Фарадея

Попробуйте эту симуляцию, чтобы увидеть, как движение магнита создает ток в цепи. Лампочка загорается, чтобы показать, когда течет ток, а вольтметр показывает падение напряжения на лампочке. Попробуйте провести магнит через катушку с четырьмя витками и через катушку с двумя витками. Какая катушка при той же скорости магнита выдает большее напряжение?

Когда северный полюс находится слева, а магнит перемещается справа налево, возникает положительное напряжение, когда магнит входит в катушку. Напряжение какого знака получится, если повторить опыт с южным полюсом слева?

1. Знак напряжения изменится, потому что направление тока изменится при перемещении южного полюса магнита влево.

2. Знак напряжения останется прежним, потому что направление тока не изменится при перемещении южного полюса магнита влево.

3. Знак напряжения изменится, потому что величина протекающего тока изменится при перемещении южного полюса магнита влево.

4. Знак напряжения останется прежним, поскольку величина протекающего тока не изменится при перемещении южного полюса магнита влево.

Индуцированная электродвижущая сила

Если в катушке индуцируется ток, Фарадей рассудил, что должно существовать то, что он назвал электродвижущей силой , проталкивающей заряды через катушку. Эта интерпретация оказалась неверной; вместо этого внешний источник, выполняющий работу по перемещению магнита, добавляет энергию к зарядам в катушке. Энергия, добавляемая на единицу заряда, имеет единицы вольт, поэтому электродвижущая сила на самом деле представляет собой потенциал. К сожалению, название «электродвижущая сила» прижилось, а вместе с ним и возможность спутать его с реальной силой. По этой причине мы избегаем термина электродвижущая сила и просто используйте аббревиатуру ЭДС , имеющую математический символ ε. ε. ЭДС можно определить как скорость, с которой энергия извлекается из источника на единицу тока, протекающего по цепи. Таким образом, ЭДС представляет собой энергию на единицу заряда , добавляемую источником, что контрастирует с напряжением, которое представляет собой энергию на единицу заряда , высвобождаемую при протекании зарядов по цепи.

Чтобы понять, почему в катушке возникает ЭДС из-за движущегося магнита, рассмотрим рис. 20.34, на котором показан стержневой магнит, движущийся вниз относительно проволочной петли. Первоначально через петлю проходят семь силовых линий магнитного поля (см. изображение слева). Поскольку магнит удаляется от катушки, только пять силовых линий магнитного поля проходят через петлю через короткое время ΔtΔt (см. изображение справа). Таким образом, когда происходит изменение числа силовых линий магнитного поля, проходящих через область, определяемую проволочной петлей, в проволочной петле индуцируется ЭДС. Подобные эксперименты показывают, что ЭДС индукции пропорциональна скорость изменения магнитного поля. Математически мы выражаем это как

ε∝ΔBΔt,ε∝ΔBΔt,

20,24

где ΔBΔB — изменение величины магнитного поля за время ΔtΔt, а A — площадь петли.

Рисунок 20.34 Стержневой магнит движется вниз по отношению к проволочной петле, так что количество силовых линий магнитного поля, проходящих через петлю, со временем уменьшается. Это приводит к тому, что в петле индуцируется ЭДС, создающая электрический ток.

Обратите внимание, что силовые линии магнитного поля, лежащие в плоскости проволочной петли, на самом деле не проходят через петлю, как показано крайней левой петлей на рис. 20.35. На этом рисунке стрелка, выходящая из петли, представляет собой вектор, величина которого равна площади петли и направление которого перпендикулярно плоскости петли. На рис. 20.35 при повороте петли от θ=90°θ=90° до θ=0°, θ=0° вклад силовых линий магнитного поля в ЭДС увеличивается. Таким образом, для создания ЭДС в проволочном контуре важна составляющая магнитного поля, равная перпендикулярно плоскости контура, который равен Bcosθ.Bcosθ.

Это аналог паруса на ветру. Думайте о проводящей петле как о парусе, а о магнитном поле — как о ветре. Чтобы максимизировать силу ветра, действующую на парус, парус ориентируют так, чтобы вектор его поверхности указывал в том же направлении, что и ветер, как в крайней правой петле на рис. 20.35. Когда парус выровнен так, что вектор его поверхности перпендикулярен ветру, как в крайней левой петле на рис. 20.35, тогда ветер не действует на парус.

Таким образом, с учетом угла магнитного поля по отношению к площади пропорциональность E∝ΔB/ΔtE∝ΔB/Δt становится равной

E∝ΔBcosθΔt.E∝ΔBcosθΔt.

20,25

Рисунок 20. 35 Магнитное поле лежит в плоскости крайнего левого контура, поэтому в этом случае оно не может генерировать ЭДС. Когда петлю поворачивают так, что угол магнитного поля с вектором, перпендикулярным площади петли, увеличивается до 90°90° (см. самую правую петлю), магнитное поле вносит максимальный вклад в ЭДС в петле. Точки показывают, где силовые линии магнитного поля пересекают плоскость, определяемую петлей.

Другой способ уменьшить количество силовых линий магнитного поля, проходящих через проводящую петлю на рис. 20.35, — не перемещать магнит, а уменьшить петлю. Эксперименты показывают, что изменение площади проводящего контура в постоянном магнитном поле индуцирует в контуре ЭДС. Таким образом, ЭДС, создаваемая в проводящей петле, пропорциональна скорости изменения произведения перпендикулярного магнитного поля и площади петли

ε∝Δ[(Bcosθ)A]Δt,ε∝Δ[(Bcosθ)A]Δt,

20.26

, где BcosθBcosθ — перпендикулярное магнитное поле, а A — площадь контура. Произведение BAcosθBAcosθ очень важно. Оно пропорционально числу силовых линий магнитного поля, проходящих перпендикулярно через поверхность площадью A . Возвращаясь к нашей аналогии с парусом, это было бы пропорционально силе ветра на парусе. Он называется магнитным потоком и обозначается ΦΦ.

Φ=BAcosθΦ=BAcosθ

20,27

Единицей магнитного потока является вебер (Вб), то есть магнитное поле на единицу площади, или Тл/м ² . Вебер также является вольт-секундой (Vs).

ЭДС индукции фактически пропорциональна скорости изменения магнитного потока через проводящую петлю.

ε∝ΔΦΔtε∝ΔΦΔt

20,28

Наконец, для катушки из Н витков ЭДС в Н раз сильнее, чем для одиночного витка. Таким образом, ЭДС, индуцируемая переменным магнитным полем в катушке N петли это

ε∝NΔBcosθΔtA. ε∝NΔBcosθΔtA.

Последний вопрос, на который нужно ответить, прежде чем мы сможем преобразовать пропорциональность в уравнение: «В каком направлении течет ток?» Русский ученый Генрих Ленц (1804–1865) объяснил, что ток течет в направлении, создающем магнитное поле, которое пытается поддерживать постоянный поток в контуре. Например, снова рассмотрим рис. 20.34. Движение стержневого магнита приводит к уменьшению числа направленных вверх силовых линий магнитного поля, проходящих через петлю. Следовательно, в петле создается ЭДС, которая движет ток в направлении, создающем более направленные вверх силовые линии магнитного поля. Используя правило правой руки, мы видим, что этот ток должен течь в направлении, показанном на рисунке. Чтобы выразить тот факт, что ЭДС индукции действует на противодействие изменению магнитного потока через проволочный контур, в пропорциональность ε∝ΔΦ/Δt.ε∝ΔΦ/Δt., которая дает закон индукции Фарадея, вводится знак минус. 9) внутри катушки, направленной влево. Это будет противодействовать увеличению магнитного потока, направленного вправо. Чтобы увидеть, в каком направлении должен течь ток, укажите большим пальцем правой руки в нужном направлении магнитного поля B→катушка,B→катушка, и ток будет течь в направлении, указанном сгибанием пальцев правой руки. Это показано изображением правой руки в верхнем ряду рис. 20.36. Таким образом, ток должен течь в направлении, показанном на рис. 4(а).

На рис. 4(b) направление движения магнита изменено на противоположное. В катушке направленное вправо магнитное поле B→magB→mag из-за движущегося магнита уменьшается. Закон Ленца гласит, что, чтобы противодействовать этому уменьшению, ЭДС будет управлять током, который создает дополнительное магнитное поле, направленное вправо B → катушка B → катушка в катушке. Снова направьте большой палец правой руки в нужном направлении магнитного поля, и ток потечет в направлении, указанном сгибанием пальцев правой руки (рис. 4(b)).

Наконец, на рис. 4(с) магнит перевернут так, что южный полюс находится ближе всего к катушке. Теперь магнитное поле B→magB→mag указывает на магнит, а не на катушку. Когда магнит приближается к катушке, это вызывает увеличение направленного влево магнитного поля в катушке. Закон Ленца говорит нам, что ЭДС, индуцируемая в катушке, будет направлять ток в направлении, создающем магнитное поле, направленное вправо. Это будет противодействовать увеличивающемуся магнитному потоку, направленному влево из-за магнита. Повторное использование правила правой руки, как показано на рисунке, показывает, что ток должен течь в направлении, показанном на рисунке 4(c).

Рисунок 20.36 Закон Ленца говорит нам, что ЭДС магнитного поля будет вызывать ток, который сопротивляется изменению магнитного потока в цепи. Это показано на панелях (a)–(c) для различных ориентаций и скоростей магнита. Правые руки справа показывают, как применить правило правой руки, чтобы определить, в каком направлении течет индуцированный ток вокруг катушки.

Виртуальная физика

Электромагнитная лаборатория Фарадея

Эта симуляция предлагает несколько действий. Сейчас нажмите на вкладку Pickup Coil, которая представляет собой стержневой магнит, который вы можете перемещать через катушку. При этом вы можете видеть, как электроны движутся в катушке, и загорается лампочка, или вольтметр показывает напряжение на резисторе. Обратите внимание, что вольтметр позволяет вам видеть знак напряжения при перемещении магнита. Вы также можете оставить стержневой магнит в покое и двигать катушку, хотя наблюдать результаты будет труднее.

Исследования PhET: Электромагнитная лаборатория Фарадея Поиграйте со стержневым магнитом и катушками, чтобы узнать о законе Фарадея. Переместите стержневой магнит рядом с одной или двумя катушками, чтобы лампочка загорелась. Посмотрите на линии магнитного поля. Счетчик показывает направление и величину тока. Просмотрите линии магнитного поля или используйте измеритель, чтобы показать направление и величину тока. Вы также можете играть с электромагнитами, генераторами и трансформаторами!

Нажмите, чтобы просмотреть содержимое

Расположите стержневой магнит северным полюсом вправо и поместите приемную катушку справа от стержневого магнита. Теперь переместите стержневой магнит к катушке и посмотрите, как движутся электроны. Это та же самая ситуация, что изображена ниже. Течет ли ток в моделировании в том же направлении, как показано ниже? Объясните, почему да или почему нет.

1. Да, ток в симуляции течет, как показано, потому что направление тока противоположно направлению потока электронов.

2. Нет, ток в моделировании течет в противоположном направлении, потому что направление тока совпадает с направлением потока электронов.

Смотреть физику

Наведенный ток в проводе

В этом видео показано, как можно индуцировать ток в прямом проводе, перемещая его через магнитное поле. через однородное магнитное поле (0,30 Тл) ẑ ? Провод лежит в направлении х . Кроме того, какой конец провода находится под более высоким потенциалом — пусть нижний конец провода будет на y = 0, а верхний конец на y = 0,5 м)?

1. 0,15 В и нижний конец провода будет под более высоким потенциалом
2. 0,15 В и верхний конец провода будет под более высоким потенциалом
3. 0,075 В и нижний конец провода будет под более высоким потенциалом
4. 0,075 В и верхний конец провода будет под более высоким потенциалом

Рабочий пример

ЭДС, индуцированная движущимся магнитом в проводящей катушке

Представьте, что магнитное поле проходит через катушку в направлении, указанном на рис. 20.37. Диаметр катушки 2,0 см. Если магнитное поле изменяется от 0,020 до 0,010 Тл за 34 с, каковы направление и величина индуцированного тока? Предположим, катушка имеет сопротивление 0,1 Ом. Ом.

Рисунок 20.37 Катушка, через которую проходит магнитное поле B .

Стратегия

Используйте уравнение ε=−NΔΦ/Δtε=−NΔΦ/Δt, чтобы найти ЭДС индукции в катушке, где Δt=34sΔt=34s . Подсчитав количество петель в соленоиде, мы находим, что в нем 16 петель, поэтому N=16.N=16. Используйте уравнение Φ=BAcosθΦ=BAcosθ для расчета магнитного потока и мы использовали cos0°=1.cos0°=1. Поскольку площадь соленоида не меняется, изменение магнитного потока через соленоид равно

ΔΦ=ΔBπ(d2)2.ΔΦ=ΔBπ(d2)2.

20,31

Как только мы найдем ЭДС, мы можем использовать закон Ома, ε=IR,ε=IR, чтобы найти ток.

Наконец, закон Ленца говорит нам, что ток должен создавать магнитное поле, которое препятствует уменьшению приложенного магнитного поля. Таким образом, ток должен создавать магнитное поле справа.

Решение

Объединение уравнений ε=−NΔΦ/Δtε=−NΔΦ/Δt и Φ=BAcosθΦ=BAcosθ дает

ε=-NΔΦΔt=-NΔBπd24Δt. ε=-NΔΦΔt=-NΔBπd24Δt.

20,32

Решение закона Ома для тока и использование этого результата дает

εR=-NΔBπd24RΔt=-16(-0,010T)π(0,020м)24(0,10Ом)(34с)=15мкА.

20,33

Закон Ленца говорит нам, что ток должен создавать магнитное поле справа. Таким образом, мы направляем большой палец правой руки вправо и сгибаем правые пальцы вокруг соленоида. Ток должен течь в том направлении, в котором указывают наши пальцы, поэтому он входит в левый конец соленоида и выходит в правый конец.

Обсуждение

Давайте посмотрим, имеет ли смысл знак минус в законе индукции Фарадея. Определите направление магнитного поля как положительное. Это означает, что изменение магнитного поля отрицательно, как мы обнаружили выше. Знак минус в законе индукции Фарадея сводит на нет отрицательное изменение магнитного поля, оставляя нам положительный ток. Следовательно, ток должен течь в направлении магнитного поля, что мы и нашли.

Теперь попробуйте определить положительное направление как направление, противоположное направлению магнитного поля, т. е. положительное направление слева на рис. 20.37. В этом случае вы обнаружите отрицательный ток. Но поскольку положительное направление направлено влево, отрицательный ток должен течь вправо, что опять-таки согласуется с тем, что мы нашли, используя закон Ленца.

Рабочий пример

Магнитная индукция из-за изменения размера цепи

Цепь, показанная на рис. 20.38, состоит из U-образного провода с резистором, концы которого соединены скользящим токопроводящим стержнем. Магнитное поле, заполняющее площадь, ограниченную контуром, постоянно и составляет 0,01 Тл. Если стержень тянут вправо со скоростью v=0,50 м/с, v=0,50 м/с, какой ток индуцируется в контуре и в каком направление течет ток?

Рисунок 20.38 Схема слайдера. Магнитное поле постоянно, и стержень тянется вправо со скоростью против . Изменяющаяся площадь, окруженная цепью, индуцирует ЭДС в цепи.

Стратегия

Мы снова используем закон индукции Фарадея, E=-NΔΦΔt, E=-NΔΦΔt, хотя на этот раз магнитное поле постоянно, а площадь, ограниченная контуром, изменяется. Схема содержит один контур, поэтому N=1.N=1. Скорость изменения площади составляет ΔAΔt=vℓ.ΔAΔt=vℓ. Таким образом, скорость изменения магнитного потока равна

0005

20,34

где мы использовали тот факт, что угол θθ между вектором площади и магнитным полем равен 0°. Зная ЭДС, мы можем найти силу тока, используя закон Ома. Чтобы найти направление тока, применим закон Ленца.

Решение

Закон индукции Фарадея дает

E=-NΔΦΔt=-Bvℓ.E=-NΔΦΔt=-Bvℓ.

20,35

Решая закон Ома для тока и используя предыдущий результат для ЭДС, получаем =-BvℓR=-(0,010T)(0,50м/с)(0,10м)20Ом=25мкА.

20,36

По мере того, как стержень скользит вправо, магнитный поток, проходящий через цепь, увеличивается. Закон Ленца говорит нам, что индуцированный ток создаст магнитное поле, противодействующее этому увеличению. Таким образом, магнитное поле, создаваемое индуцированным током, должно проникать внутрь страницы. Скручивание пальцев правой руки вокруг петли по часовой стрелке приводит к тому, что большой палец правой руки указывает на страницу, что является желаемым направлением магнитного поля. Таким образом, ток должен течь по часовой стрелке вокруг цепи.

Обсуждение

Сохраняется ли энергия в этой цепи? Внешний агент должен тянуть стержень с достаточной силой, чтобы просто уравновесить силу, действующую на провод с током в магнитном поле — напомним, что F=IℓBsinθ. F=IℓBsinθ. Скорость, с которой эта сила действует на стержень, должна быть уравновешена скоростью, с которой цепь рассеивает мощность. Используя F=IℓBsinθ, F=IℓBsinθ, сила, необходимая для вытягивания проволоки с постоянной скоростью v , равна

Fpull=IℓBsinθ=IℓB,Fpull=IℓBsinθ=IℓB,

20,37

где мы использовали тот факт, что угол θθ между током и магнитным полем составляет 90°.90°. Подстановка приведенного выше выражения для тока в это уравнение дает

Fpull=IℓB=−BvℓR(ℓB)=−B2vℓ2R. Fpull=IℓB=−BvℓR(ℓB)=−B2vℓ2R.

20,38

Мощность, вносимая агентом, тянущим стержень, равна Fpullv, или Fpullv, или

Ppull=Fpullv=−B2v2ℓ2R.Ppull=Fpullv=−B2v2ℓ2R.

20,39

Мощность, рассеиваемая цепью, равна

Pрассеянное=I2R=(-BvℓR)2R=B2v2ℓ2R.Pрассеянное=I2R=(-BvℓR)2R=B2v2ℓ2R.

20.40

Таким образом, мы видим, что Ppull+Pdissipated=0,Ppull+Pdissipated=0, что означает сохранение мощности в системе, состоящей из контура и агента, тянущего за стержень. Таким образом, в этой системе сохраняется энергия.

Практические задачи

11.

Магнитный поток через одну проволочную петлю изменяется с 3,5 Вб до 1,5 Вб за 2,0 с. Какая ЭДС возникает в контуре?

1. –2,0 В
2. –1,0 В
3. +1,0 В
4. +2,0 В

12.

Чему равна ЭДС катушки с 10 витками, через которую изменяется поток со скоростью 10 Вб/с?

1. –100 В
2. –10 В
3. +10 В
4. +100 В

Проверьте свое понимание

13.

Имея стержневой магнит, как можно индуцировать электрический ток в проволочной петле?

1. Электрический ток индуцируется, если рядом с проволочной петлей находится стержневой магнит.

2. Электрический ток индуцируется, если проволочная петля намотана на стержневой магнит.

3. Электрический ток индуцируется, если стержневой магнит перемещается по проволочной петле.

4. Электрический ток индуцируется, если стержневой магнит находится в контакте с проволочной петлей.

14.

Какие факторы могут вызвать индуцированный ток в проволочной петле, через которую проходит магнитное поле?

1. Наведенный ток можно создать, только изменив размер проволочной петли.

2. Наведенный ток можно создать, только изменив ориентацию проволочной петли.

3. Наведенный ток может быть создан только путем изменения силы магнитного поля.

4. Наведенный ток можно создать, изменив силу магнитного поля, изменив размер проволочной петли или изменив ориентацию проволочной петли.

Лаборатория 7 — Электромагнитная индукция — Имя: Кристина Билецкий Раздел 52 Лаборатория № Введение The

Имя: Кристина Билецкая Секция 52

Лаборатория №

Введение

Целью этой лаборатории было изучение явления электромагнитной индукции, генерации ЭДС через изменяющийся магнитный поток. Используя формулу Фарадея, датчик и программу iOlab, провода аллигатора, индуктор, медный провод и магнит, мы измерили, как величина и направление магнитного потока изменяется из-за различных факторов и определяется, как эта скорость изменения в магнитном потоке определяет силу создаваемой ЭДС. Мы также научились создавать трансформатор с помощью индуктора и исследовал основные функции таких устройств. Это позволило нам понять разницу между электромагнитами и постоянными магнитами,

Процедура

Часть I: изображение взято из Lab Notes для более точного описания установки.

1. Следующая установка была построена после сбора материалов.

2. После завершения настройки и подключения iOLab к программе мы перешли магнит в медную петлю и из нее и записали изменение напряжения. Мы протестировали несколько разных факторов:

а. Сначала мы проверили, как скорость движущегося магнита влияет на изменение напряжения. Мы сделали это, медленно перемещая магнит в петлю и из нее, а затем быстро, записывая наши результаты в процессе.

б. Затем мы проверили, как ориентация магнита повлияет на напряжение. сдача. Сначала мы перемещали магнит в петлю и из нее в исходное положение. Затем мы перевернули магнит вверх дном и перемещали его в петлю и из нее с помощью крючок смотрит вперед.

в. Наконец, мы соединили два провода типа «крокодил» вместе и создали петлю с меньшее количество катушек, чем исходная установка. Затем мы переместили магнит в и из нового контура и записали, как это повлияло на изменение напряжения.

Часть II:

1. Во второй части эксперимента мы создали понижающий трансформатор, добавив индуктор к нашей установке.

2. Оставив исходный медный провод подключенным к портам + и – G в iOLab, мы далее взял два провода типа «крокодил» и прикрепил каждый к ножке нашего индуктора.

3. Затем мы взяли конец одного провода типа «крокодил» и подключили его к заземляющему порту слева. стороне iOLab, взял конец другого провода типа «крокодил» и подключил его к разъему 3. Порт V на правой стороне iOLab.

4. После нажатия кнопки записи и запуска графика в течение нескольких секунд мы отключили провод от порта напряжения и остановил сбор данных.

5. Программа Excel использовалась для определения максимального выходного напряжения для нашего трансформатора.

Рис. 3. Разница в создаваемом изменяющемся магнитном поле когда магнит перемещается в медную петлю с множеством витков против когда он перемещается в медный контурный провод с меньшим количеством витков.

Часть II:

Вопросы

1. Какая часть закона Фарадея говорит нам, почему скорость магнита влияет на ЭДС? Ваш экспериментальное наблюдение того, что происходило, когда вы двигали магнит быстрее, согласуется с Закон Фарадея? Почему или почему нет?

а. Согласно уравнению закона Фарадея изменение магнитного потока равно пропорциональна ЭДС индукции, поэтому ток и изменение магнитной 9Поток 0435 увеличивается, когда магнит движется в катушку быстрее. Наше экспериментальное наблюдение согласуется с законом Фарадея, потому что если мы посмотрим на рисунок 2, мы ясно увидим большее и более выраженные изменения напряжения, которые принимают форму волн на графике. Когда магнит двигался быстрее, изменения напряжения производили волны с более высокой частота и амплитуда.

2. Видите ли вы ЭДС, когда постоянный магнит остается неподвижным внутри катушки?

а. Нет. Когда магнит неподвижен, поток не меняется, поэтому ЭДС не возникает.

3. Что произойдет со знаком индуцированного напряжения, если изменить ориентацию постоянного магнит?

а. Изменение ориентации магнита на противоположное приводит к тому, что знак наведенного напряжения также становится равным . смена.

Рис. 4. Изменение напряжения, производимое трансформатором. Максимум значение выходного напряжения = 0 мВ

Результаты и обсуждение

Целью этой лаборатории было узнать, что такое магнитный поток, как скорость его изменения определяет сила ЭДС индукции и к чему в итоге приводит этот эффект. Используя формулу Фарадея, Датчик и программа iOlab, провода типа «крокодил», индуктор, медный провод и магнит, мы измерили, как величина и направление магнитного потока изменяются из-за разных факторов и определяют сила результирующей ЭДС. Мы также исследовали концепцию электромагнитной индукции и сравнил различия между электромагнитами и постоянными магнитами.

В первой части эксперимента мы использовали медный контурный провод, чтобы создать область, через которую проходит магнитное поле. поле может пройти. Затем мы перемещали магнит в петлю Купера и из нее, чтобы создать изменяющееся магнитное поле. поток и использовали датчик и программу iOLab для определения силы ЭДС индукции. Мы также экспериментировал с различными переменными, чтобы увидеть, какие другие факторы влияют на ЭДС. Сначала мы проверили, как знак магнитного потока влиял на ЭДС, что было сделано путем предварительной регистрации того, как напряжение изменилось, когда магнитный конец магнита был перемещен в петлю по сравнению с тем, когда немагнитный конец был перемещен в петлю. Мы обнаружили, что когда магнитный конец был направлен вперед, напряжение сначала упал (стал отрицательным), а затем стал положительным, когда магнит вытащили. На с другой стороны, когда немагнитный конец был впервые перемещен в петлю, напряжение стало положительным и затем стал отрицательным, когда немагнитный конец был отодвинут. На следующем графике показаны эти полученные результаты. Вероятно, это произошло из-за того, что магнитный конец вызвал увеличение магнитного потока, что привело к и ЭДС противоположного направления противодействуют этому изменению, а немагнитный конец создавал убывающую магнитный поток, вызывающий ЭДС в положительном направлении.

Затем мы проверили, как скорость движущегося магнита влияет на ЭДС. Мы обнаружили, что когда магнит перемещался в медный туалет и из него медленнее, ЭДС менялась не столь резко. Это также позволяет сделать вывод, что скорость изменения магнитного потока прямо пропорциональна скорость изменения индуцированного напряжения. Это видно на графике ниже, где чем медленнее Магнит вызывал изменение напряжения с меньшей скоростью по сравнению с быстро движущимся магнитом.

Затем мы проверили, как площадь, через которую движется магнит, влияет на силу ЭДС. Когда в петле было меньше витков, результирующая ЭДС была намного слабее, что было видно по меньшая амплитуда при измерении изменения напряжения.