Условие задачи

Лабораторная работа
Изучение явления электронной индукции
Цель работы изучить явление электромагнитной индукции.
Оборудование электромагнит разборный, катушка—моток, дугообразный магнит, миллиамперметр или микроамперметр с нулем посередине, источник питания, реостат, ключ, провода соединительные, модель генератора электрического тока (одна на весь класс).
Ход работы
1. Соберите электрическую цепь в соответствии с рисунком 8.
2. Вдвигая магнит в катушку-моток, заметьте отклонение стрелки миллиамперметра, а значит, и направление индукционного тока. Запишите направление индукционного тока при вдвигании и выдвигании катушки.
3. Проверьте существование индукционного тока, когда катушка покоится относительно магнита.
4 Измените скорость движения катушки относительно магнита и запишите влияние этого факта на отклонение стрелки миллиамперметра, а значит, и на величину индукционного тока.
5. Запишите, менялся ли магнитный поток Ф, пронизывающий катушку, во время ее движения? Во время остановки?
6. На основании проделанных опытов сделайте вывод и запишите, при каких условиях в катушке возникал индукционный ток.
7. Соберите установку для опыта по рисунку 9.
8. Проверьте, возникает лив катушке-мотке 7 индукционный ток в следующих случаях:
а) при замыкании и размыкании цепи, в которую включена
катушка 2;
6) при протекании через катушку 2 постоянного тока;
в) при увеличении и уменьшении силы тока, протекающего через катушку 2, путем перемещения в соответствующую сторону ползунка реостата.
9. Пронаблюдайте возникновение электрического тока в модели генератора (рисунок 10). Объясните, почему в рамке, вращающейся в магнитном поле, возникает индукционный ток.
10. Ответьте на вопросы.
• Почему при приближении катушки к магниту магнитный поток, пронизывающий эту катушку, менялся?
Одинаковы или различны направления индукционных токов в катушке при приближении и удалении ее от одного и того же полюса магнита?
При большей или меньшей скорости движения катушки относительно магнита магнитный поток Ф, пронизывающий катушку, менялся быстрее?
Как зависит модуль силы индукционного тока от скорости изменения магнитного потока Ф?
В каких из перечисленных в пункте 8 случаях меняется магнитный поток, пронизывающий катушку / ?
Почему магнитный поток меняется в этих случаях?

Решение

Ниже приведено подробное решение задачи, выполненной по классическим законам электромагнетизма (физика), а именно по закону электромагнитной индукции Фарадея и правилу Ленца.

─────────────────────────────
1. Теоретическая база

При изменении магнитного потока Φ, проходящего через контур (или катушку), согласно закону Фарадея возникает электродвижущая сила (ЭДС) ε, которая определяется формулой

ε = − dΦ/dt

откуда знак (–) означает правило Ленца, то есть направление индуцированного тока таково, что создаваемое им магнитное поле противодействует изменению потока. Сам магнитный поток определяется выражением

Φ = B · S · cosα

где B – магнитная индукция, S – площадь контура, α – угол между направлением вектора B и нормалью к плоскости контура.

─────────────────────────────
2. Ход работы и физические наблюдения

А. При вдвигании магнита в катушку-моток:
– Магнит приближается, и величина магнитного поля внутри катушки увеличивается, следовательно, растет магнитный поток Φ.
– Изменение потока приводит к появлению ЭДС по формуле ε = − dΦ/dt.
– Согласно правилу Ленца, индуцированный ток направлен так, чтобы создать магнитное поле, противодействующее увеличению внешнего поля (то есть он «отталкивает» приближающийся магнит).

Б. При выдвигании катушки или удалении магнита:
– Магнитное поле оказывается ослабленным, уменьшается поток Φ.
– Индуцированная ЭДС опять возникает, но теперь знак изменения обратный, и ток направлен так, чтобы компенсировать уменьшение магнитного потока (такое магнитное поле стремится усилить внешний поток).

В. Если катушка находится в неподвижном положении относительно магнита:
– Поток Φ остается постоянным, то dΦ/dt = 0, следовательно, ЭДС и индуцированный ток равны нулю.

Г. При изменении скорости движения магнита относительно катушки:
– Чем быстрее меняется положение магнита, тем больше скорость изменения магнитного потока dΦ/dt, и, согласно ε = − dΦ/dt, индуцированная ЭДС (а значит и ток) будет больше.
– При медленном движении dΦ/dt меньше и ток слабее.

─────────────────────────────
3. Ответы на контрольные вопросы

Вопрос 1. Почему при приближении катушки к магниту магнитный поток, пронизывающий эту катушку, менялся?
Ответ: При приближении катушки к магниту число линий магнитного поля, проходящих через поверхность катушки, увеличивается. То есть магнитное поле B в области катушки становится интенсивнее, что увеличивает поток Φ = B · S · cosα.

Вопрос 2. Одинаковы или различны направления индукционных токов в катушке при приближении и удалении ее от одного и того же полюса магнита?
Ответ: Направления индукционного тока различны. При приближении магнит усиливает поток – индуцированный ток создает поле, противоположное изменению (отталкивает магнит). При удалении магнитного поля поток уменьшается, и индуцированный ток направлен так, чтобы дополнить (усилить) внешний магнитный поток, действуя противоположно ситуации приближения.

Вопрос 3. При большей или меньшей скорости движения катушки относительно магнита магнитный поток менялся быстрее?
Ответ: При большей скорости изменения положения (то есть при быстром движении) магнитный поток меняется быстрее, поскольку dΦ/dt увеличивается, а значит, и индуцированная ЭДС становится больше.

Вопрос 4. Как зависит модуль силы индукционного тока от скорости изменения магнитного потока Φ?
Ответ: Модуль индуцированного тока I определяется значением ЭДС и сопротивлением цепи. Так как по закону Фарадея ε = − dΦ/dt, то при большем dΦ/dt, при условии постоянного сопротивления, возникает большее ε, а следовательно, по закону Ома I = ε/R модуль тока возрастает пропорционально скорости изменения магнитного потока.

Вопрос 5. В каких из перечисленных в пункте 8 случаев меняется магнитный поток, пронизывающий катушку 2?
Случаи в пункте 8:
а) При замыкании и размыкании цепи, в которую включена катушка 2.
– При размыкании цепи мгновенно прерывается постоянный ток, создающий магнитное поле; при замыкании – ток устанавливается, что приводит к изменению магнитного потока через катушку 2.
Следовательно, изменение магнитного потока происходит.

б) При протекании через катушку 2 постоянного тока.
– Если ток постоянен, магнитное поле, создаваемое катушкой 2, стабильно, а магнитный поток не изменяется.
Таким образом, индукционный ток не возникает.

в) При увеличении и уменьшении силы тока, протекающего через катушку 2, путем перемещения ползунка реостата.
– При изменении величины постоянного тока магнитное поле изменяется, а значит, изменяется и магнитный поток через катушку 2.

Таким образом, магнитный поток меняется в случаях а) и в) и постоянен в случае б).

Вопрос 6. Почему магнитный поток меняется в этих случаях?
Ответ:
– В случае а) размыкая или замыкая цепь, происходит резкое изменение величины тока, и, соответственно, меняется магнитное поле, пронизывающее катушку.
– В случае в) изменение силы тока приводит к плавному изменению магнитного поля. Так как магнитный поток Φ зависит от индукции B (которая обусловлена током), его изменение является следствием изменения тока.
– При постоянном токе (случай б) магнитное поле неизменно, и поэтому поток не меняется.

─────────────────────────────
4. Итог

Исходя из проведенных опытов, можно сделать вывод, что индукционный ток возникает в катушке в том случае, если происходит изменение магнитного потока, пронизывающего её, независимо от причины – будь то перемещение магнита относительно катушки, включение или выключение тока в соседней катушке (влияние изменяющегося поля), либо изменение силы тока в этой катушке. Направление индуцированного тока определяется правилом Ленца, так что он всегда противодействует изменению магнитного потока.

При этом модуль силы индуцированного тока пропорционален скорости изменения потока: чем быстрее меняется поток (то есть чем больше dΦ/dt), тем больше индуцированная ЭДС, а значит, сильнее ток, если сопротивление цепи остается неизменным.

─────────────────────────────
Таким образом, лабораторная работа показывает закономерности возникновения электромагнитной индукции и демонстрирует, что именно изменение магнитного потока, будь то за счет движения магнита или изменения тока, является источником индукционной ЭДС и возникающего тока в цепи.Решить задачу Телеграмм бот