Правило Ленца

Урок по теме «Правило Ленца. Явление самоиндукции. Энергия магнитного поля».

Цель урока: научиться определять направление индукционного тока; на примере правила Ленца сформулировать представление о фундаментальности ЗСЭ; разъяснить сущность явления самоиндукции; вывести формулу для расчета энергии магнитного поля, выяснить физический смысл этой формулы.

План урока:

1. Проверка домашнего задания.

2. Изложение нового материала.

3. Закрепление.

4. Домашнее задание.

1. Проверка домашнего задания.

2. План изложения нового материала:

1. Направление индукционного тока.
2. Правило Ленца и ЗСЭ.
3. Явление самоиндукции.
4. ЭДС самоиндукции.
5. Индуктивность.
6. Применение и учет самоиндукции в технике.
7. Энергия магнитного поля тока.

Направление индукционного тока.

Вопросы к учащимся для актуализации прежних знаний:

• Назвать две серии опытов Фарадея по исследованию явления электромагнитной индукции (возникновение индукционного тока в катушке при вдвигании и выдвигании магнита или катушки с током; возникновение индукционного тока в одной катушке при изменении тока в другой путем замыкания-размыкания цепи или использования реостата).

• Зависит ли направление отклонения стрелки гальванометра от направления движения магнита относительно катушки? (зависит: при приближении магнита к катушке стрелка отклоняется в одну сторону, при удалении магнита - в другую).

• Чем отличается (судя по показаниям гальванометра) индукционный ток, возникающий в катушке при приближении магнита, от тока, возникающего при удалении магнита (при одинаковой скорости движения магнита)? (ток отличается направлением).

Таким образом, при движении магнита относительно катушки направление отклонения стрелки гальванометра (а, значит, и направление тока) может быть различным (слайд 5).

Сформулируем при помощи опыта Ленца правило нахождения направления индукционного тока (видеоролик «Демонстрация явления электромагнитной индукции»). Объяснение опыта Ленца (слайд 6): Если приближать магнит к проводящему кольцу, то оно начнет отталкиваться от магнита. Это отталкивание можно объяснить только тем, что в кольце возникает индукционный ток, обусловленный возрастанием магнитного потока через кольцо, а кольцо с током взаимодействует с магнитом.

Правило Ленца и закон сохранения энергии (слайд 7).

Если магнитный поток через контур возрастает, то направление индукционного тока в контуре таково, что вектор магнитной индукции созданного этим током поля направлен противоположно вектору магнитной индукции внешнего магнитного поля.

Если магнитный поток через контур уменьшается, то направление индукционного тока таково, что вектор магнитной индукции созданного этим током поля сонаправлен вектору магнитной индукции внешнего поля.

Формулировка правила Ленца (слайд 8): индукционный ток имеет такое направление, что созданный им магнитный поток всегда стремится скомпенсировать то изменение магнитного потока, которое вызвало данный ток.

Правило Ленца является следствием закона сохранения энергии.

Рассмотрим пример проявления правила Ленца в жизни (слайд 9) - парение магнита над сверхпроводящей чашей. Кратко объяснить происходящее можно так: магнит падает; возникает переменное магнитное поле; возникает вихревое электрическое поле; в сверхпроводнике возникают незатухающие кольцевые токи; согласно правилу Ленца направление этих токов таково, что магнит отталкивается от сверхпроводника; магнит «парит» над чашей.

Явление самоиндукции.

Прежде, чем рассмотреть явление самоиндукции, вспомним, в чем заключается суть явления электромагнитной индукции - это возникновение индукционного тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего этот контур. Рассмотрим один из вариантов опытов Фарадея (слайд 10): Если в цепи, содержащей замкнутый контур (катушку) менять силу тока, то в самом контуре возникнет ещё и индукционный ток. Этот ток также будет подчиняться правилу Ленца.

Рассмотрим опыт по замыканию цепи, содержащей катушку (слайд 11). При замыкании цепи с катушкой определенное значение силы тока устанавливается лишь спустя некоторое время.

Определение самоиндукции (слайд 12): САМОИНДУКЦИЯ - возникновение вихревого электрического поля в проводящем контуре при изменении силы тока в нем; частный случай электромагнитной индукции.
Вследствие самоиндукции замкнутый контур обладает «инертностью»: силу тока в контуре, содержащем катушку, нельзя изменить мгновенно.

ЭДС самоиндукции (слайд 13). Какова формула закона электромагнитной индукции?

(ℰi = - ). Если магнитное поле создано током, то можно утверждать, что Ф ~ В ~ I, т.е. Ф ~ I или Ф=LI , где L - индуктивность контура (или коэффициент самоиндукции). Тогда закон электромагнитной индукции в случае самоиндукции примет вид: ℰsi = - = - или ℰsi = - L (формула для расчета ЭДС самоиндукции).

Индуктивность (слайд 14).

Если из формулы для расчета ЭДС самоиндукции выразить коэффициент пропорциональности L, получим: L=ℰsi / . Затем приравняем к единице значения величин, которые мы непосредственно можем задать - величину скорости изменения силы тока 1 ампер в секунду. Получим формулу, отражающую физический смысл коэффициента самоиндукции (индуктивности): индуктивность контура численно равна ЭДС самоиндукции, возникающей при изменении силы тока на 1 А за 1 с.

Единицы измерения индуктивности в системе СИ: [L] = 1 = 1 Гн (генри).

Применение и учет самоиндукции в технике (слайд 15).

Вследствие явления самоиндукции при размыкании цепей, содержащих катушки со стальными сердечниками (электромагниты, двигатели, трансформаторы) создается значительная ЭДС самоиндукции и может возникнуть искрение или даже дуговой разряд. В качестве домашнего задания предлагаю (по желанию) подготовить презентацию на тему «Как устранить нежелательную самоиндукцию при размыкании цепи?».

Энергия магнитного поля (слайд 16):

Вспомним опыт, подтверждающий существование явления самоиндукции: при замыкании цепи лампочка вспыхивала не сразу, но и при размыкании цепи с катушкой лампочка вместо того, чтобы, погаснуть, на короткое время вспыхивала. Очевидно, для вспышки лампочки необходима энергия. И энергия эта запасается в катушке в виде энергии магнитного поля. Для вывода энергии магнитного поля используем аналогию между установлением в цепи электрического тока величиной I и процессом набора телом скорости V.

1. Установление в цепи тока I происходит постепенно.

1. Достижение телом скорости V происходит постепенно.

2. Для достижения силы тока I необходимо совершить работу.

2. Для достижения скорости V необходимо совершить работу.

3. Чем больше L, тем медленнее растет I.

3. Чем больше m, тем медленнее растет V.

4. Wм =

4. Eк =

3. Закрепление (слайд 17) - вопросы 1 - 8 на стр. 113 учебника.

4. Домашнее задание (слайд 18) - § 15