Страница 273 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

Исследование явления электромагнитной индукции

Цель работы:

освоить алгоритм определения направления индукционного тока на основании правила Ленца; наблюдать явление электромагнитной индукции при различных способах изменения магнитного потока; наблюдать влияния относительного движения магнита и катушки на возникновение индукционного тока; качественно исследовать зависимость ЭДС индукции от скорости изменения магнитного потока.

Оборудование, средства измерения:

1) дугообразный магнит, 2) катушка-моток, 3) миллиамперметр, 4) полосовой магнит, 5) ключ, 6) соединительные провода, 7) источник питания, 8) электромагнит разборный с принадлежностями: две катушки, принадлежности для сборки электромагнита, якорь, контакт.

Теоретическое обоснование

В таблице 17 приведён алгоритм определения направления индукционного тока с использованием правила Ленца.

Таблица 17

Пункты алгоритма Экспериментальная ситуация

1. Определить направление магнитной индукции $B$ магнитного поля, изменение которого вызывает индукционный ток

2. Определить характер изменения магнитного потока: Увеличивается, так как магнит приближается к кольцу

3. Определить направление магнитной индукции $\vec{B_i}$ магнитного поля индукционного тока: если магнитный поток увеличивается, то $\vec{B_i} \uparrow\downarrow \vec{B}$, если магнитный поток уменьшается, то $\vec{B_i} \uparrow\uparrow \vec{B}$

4. Определить направление индукционного тока, используя правило буравчика

Обратите внимание: стрелка миллиамперметра отклоняется по часовой стрелке, ток через прибор идёт от «+» к «–», т. е. слева направо. Этим необходимо пользоваться при определении реального направления индукционного тока.

Порядок выполнения работы

Задание 1. Наблюдение возникновения индукционного тока при относительном движении магнита и катушки.

1. Соедините катушку-моток с миллиамперметром и убедитесь в том, что индукционный ток возникает при относительном перемещении катушки и магнита (рис. 184).

2. Скрепите вместе магнит и катушку-моток с помощью скотча. Убедитесь в том, что даже при их свободном падении индукционный ток не возникает.

Задание 2. Определение направления индукционного тока.

1. Соберите электрическую цепь (рис. 185).

2. Пронаблюдайте возникновение индукционного тока при относительном сближении и удалении катушки-мотка и электромагнита. Заполните вторую графу таблицы 18 в соответствии с образцом (см. табл. 17).

3. Получите индукционный ток при замыкании и размыкании цепи электромагнита. Заполните третью графу таблицы 18.

4. Пронаблюдайте возникновение индукционного тока при перемещении движка реостата. Заполните четвёртую графу таблицы 18.

Задание 3. Придумайте, осуществите и опишите опыты по электромагнитной индукции с предложенным вам оборудованием.

▲ 184

▲ 185

Таблица 18

Экспериментальная

ситуация

Номер

пункта

алгоритма

1

2

3

4

В основе решения лежит закон электромагнитной индукции Фарадея и правило Ленца. Закон Фарадея гласит, что ЭДС индукции $ \mathcal{E}_i $ в замкнутом контуре равна скорости изменения магнитного потока $ \Phi_B $ через поверхность, ограниченную этим контуром, взятой со знаком минус: $ \mathcal{E}_i = - \frac{d\Phi_B}{dt} $

Правило Ленца определяет направление индукционного тока: он всегда направлен так, чтобы своим магнитным полем противодействовать изменению внешнего магнитного потока, которое его вызвало.

Задание 1. Наблюдение возникновения индукционного тока при относительном движении магнита и катушки.

1. При соединении катушки с миллиамперметром и последующем внесении в неё или извлечении из неё постоянного магнита, стрелка прибора отклоняется. Это свидетельствует о возникновении в катушке индукционного тока. Если относительного движения между магнитом и катушкой нет, ток не возникает (стрелка на нуле). Направление отклонения стрелки зависит от того, какой полюс магнита (северный или южный) используется и от направления движения (внесение или извлечение). Это происходит потому, что при относительном движении изменяется магнитный поток через катушку, что и приводит к возникновению ЭДС индукции.

2. Если скрепить магнит и катушку вместе, то они будут двигаться как единое целое. При их совместном движении (например, при свободном падении) относительное положение магнита и катушки не меняется. Следовательно, магнитный поток, создаваемый магнитом через витки катушки, остается постоянным ($ \frac{d\Phi_B}{dt} = 0 $). Согласно закону Фарадея, ЭДС индукции и, соответственно, индукционный ток в этом случае не возникают. Миллиамперметр покажет ноль.

Ответ: Индукционный ток возникает только при относительном движении магнита и катушки, так как только в этом случае изменяется магнитный поток, пронизывающий катушку.

Задание 2. Определение направления индукционного тока.

Для выполнения этого задания используется электрическая схема, изображенная на рис. 185. Она состоит из двух катушек. Первичная катушка (электромагнит) подключена к источнику тока через ключ и реостат. Вторичная катушка (катушка-моток) подключена к миллиамперметру. Изменение тока в первичной катушке приводит к изменению создаваемого ею магнитного поля и, как следствие, к изменению магнитного потока через вторичную катушку, что вызывает в последней индукционный ток.

Для определённости предположим, что первичная катушка намотана и подключена к источнику так, что при протекании тока её верхний торец становится северным полюсом (N). Это означает, что вектор магнитной индукции $ \vec{B} $ внешнего поля направлен вверх. Направление индукционного тока $ I_i $ во вторичной катушке будем определять по правилу правой руки (при взгляде на катушку сверху).

Результаты применения алгоритма определения направления индукционного тока для различных экспериментальных ситуаций сведены в таблицу.

Ответ: Направление индукционного тока зависит от того, увеличивается или уменьшается магнитный поток через контур. При увеличении потока (сближение катушек, замыкание цепи, уменьшение сопротивления реостата) индукционный ток создает поле, направленное против внешнего поля. При уменьшении потока (удаление катушек, размыкание цепи, увеличение сопротивления реостата) индукционный ток создает поле, сонаправленное с внешним.

Задание 3. Придумайте, осуществите и опишите опыты по электромагнитной индукции с предложенным вам оборудованием.

Название опыта: Качественное исследование зависимости величины индукционного тока от скорости изменения магнитного потока.

Цель опыта: Экспериментально проверить, что величина индуцируемого тока (а следовательно, и ЭДС индукции) зависит от скорости, с которой изменяется магнитный поток.

Оборудование: Катушка-моток, миллиамперметр, полосовой магнит, соединительные провода.

Ход опыта:

1. Собрать цепь, состоящую из катушки-мотка и миллиамперметра.
2. Взять полосовой магнит и медленно вдвигать его в катушку северным полюсом. Зафиксировать максимальное отклонение стрелки миллиамперметра.
3. Вынуть магнит из катушки.
4. Теперь быстро вдвинуть тот же магнит в катушку тем же северным полюсом. Снова зафиксировать максимальное отклонение стрелки прибора.
5. Сравнить показания миллиамперметра в обоих случаях.

Наблюдения и вывод: При быстром движении магнита стрелка миллиамперметра отклоняется на значительно больший угол, чем при медленном движении. Это означает, что во втором случае величина индукционного тока была больше. Поскольку по закону Ома для замкнутой цепи $ I_i = \frac{\mathcal{E}_i}{R} $, где $ R $ — сопротивление цепи, то большая величина тока соответствует большей ЭДС индукции $ \mathcal{E}_i $. Таким образом, опыт подтверждает следствие из закона Фарадея: модуль ЭДС индукции прямо пропорционален скорости изменения магнитного потока ($ |\mathcal{E}_i| \sim |\frac{d\Phi_B}{dt}| $). Чем быстрее движется магнит, тем быстрее меняется магнитный поток, и тем больше возникающая ЭДС индукции.

Ответ: Предложен и описан опыт по исследованию зависимости величины индукционного тока от скорости изменения магнитного потока. Опыт показывает, что чем быстрее изменяется магнитный поток, тем больше возникают ЭДС индукции и индукционный ток.