Лабораторная работа № 13. Изучение явления электромагнитной индукции

Лабораторная работа № 13.
Изучение явления электромагнитной индукции
Цель работы: исследовать зависимость величины и
направления индукционного тока в катушке от характера
изменения магнитного потока, пронизывающего ее витки.
Оборудование: выпрямитель ВУ-4М, катушка с
выводами (2 шт.), цилиндрический металлический сердечник,
подставка, крепежный болт, постоянный маркированный
магнит, миллиамперметр, соединительные провода, элементы
планшета №1: ключ, гнезда.
Теоретическая часть.
В 1821 г. М. Фарадей записал в своем дневнике:
«Превратить магнетизм в электричество». Через 10 лет эта
задача была им решена.
Не случайно первый, решающий шаг в открытии новых
свойств
электромагнитных
взаимодействий
сделан
основоположником представлений об электромагнитном поле —
М. Фарадеем, который был уверен в единой природе
электрических и магнитных явлений. Благодаря этому он сделал
открытие, вошедшее в основу устройства генераторов всех
электростанций мира, превращающих механическую энергию в
энергию электрического тока. (Источники, работающие на
других принципах: гальванические элементы, аккумуляторы и
пр., — дают ничтожную долю вырабатываемой электрической
энергии.).
Электрический ток, рассуждал М. Фарадей, способен
намагнитить кусок железа. Не может ли магнит, в свою очередь,
вызвать появление электрического тока? Долгое время эту связь
обнаружить не удавалось. Трудно было додуматься до главного,
а именно: только движущийся магнит, или меняющееся во
времени магнитное поле, может возбудить электрический ток в
1
катушке.
Какого рода случайности могли помешать открытию,
показывает следующий факт. Почти одновременно с Фарадеем
получить электрический ток в катушке с помощью магнита
пытался швейцарский физик Колладон. При работе он
пользовался гальванометром, легкая магнитная стрелка которого
помещалась внутри катушки прибора. Чтобы магнит не оказывал
непосредственного влияния на стрелку, концы катушки, куда
Колладон вводил магнит, надеясь получить в ней ток, были
выведены в соседнюю комнату и там присоединены к
гальванометру. Вставив магнит в катушку, Колладон шел в
соседнюю комнату и с огорчением убеждался, что гальванометр
не показывает тока. Стоило бы ему все время наблюдать за
гальванометром, а кого-нибудь попросить заняться магнитом,
замечательное открытие было бы сделано. Но этого не
случилось. Покоящийся относительно катушки магнит не
вызывает в ней тока.
а
б
Рис. 1.
Явление электромагнитной индукции заключается в возникновении электрического тока в проводящем контуре, который либо покоится в переменном во времени магнитном поле,
либо движется в постоянном магнитном поле таким образом,
что число линий магнитной индукции, пронизывающих контур,
меняется. Оно было открыто 29 августа 1831 г. Редкий случай,
когда дата нового замечательного открытия известна так точно.
2
Сначала была открыта электромагнитная индукция в
неподвижных друг относительно друга проводниках при
замыкании и размыкании цепи. Затем, ясно понимая, что
сближение или удаление проводников с током должно
приводить к тому же результату, что и замыкание и размыкание
цепи, Фарадей с помощью опытов доказал: ток возникает при
перемещении катушек друг относительно друга. Знакомый с
трудами Ампера, Фарадей понимал, что магнит — это
совокупность маленьких токов, циркулирующих в молекулах. 17
октября, как зарегистрировано в его лабораторном журнале, был
обнаружен индукционный ток в катушке во время введения (или
выведения) магнита.
В течение одного месяца Фарадей опытным путем открыл
все существенные особенности явления электромагнитной
индукции. В настоящее время опыты Фарадея может повторить
каждый. Для этого надо иметь две катушки, магнит, батарею
элементов и достаточно чувствительный гальванометр.
В установке, изображенной на рисунке 1, а,
индукционный ток возникает в одной из катушек в момент
замыкания или размыкания электрической цепи другой катушки,
неподвижной относительно первой. В других опытах
индукционный ток возникает при изменении силы тока в одной
из катушек с помощью реостата (рис. 1,б), при движении
катушек друг относительно друга (рис. 2, а), при движении
постоянного магнита относительно катушки (рис. 2, б).
Уже сам Фарадей уловил то общее, от чего зависит
появление индукционного тока в опытах, которые
а
б
Рис. 2.
3
внешне по-разному поставлены.
В замкнутом проводящем контуре возникает ток при
изменении числа линий магнитной индукции, пронизывающих
поверхность, ограниченную этим контуром. И чем быстрее
меняется число линий магнитной индукции, тем
больше возникающий индукционный ток. При
этом причина изменения числа линий магнитной
индукции совершенно безразлична. Это может
быть и изменение числа линий магнитной
индукции,
пронизывающих
поверхность
неподвижного
проводящего
контура,
вследствие изменения силы тока в соседней
катушке (см. рис. 1,б), и изменение числа линий
индукции вследствие движения контура в
неоднородном магнитном поле, густота линий
которого меняется в пространстве (рис. 3).
Рис. 3.
Явление электромагнитной индукции заключается в
возникновении электрического тока в замкнутом проводящем
контуре при изменении во времени магнитного потока,
пронизывающего контур.
Магнитным потоком Φ (потоком магнитной индукции)
через площадь S называют величину, равную произведению
модуля вектора магнитной индукции B на площадь S и косинус
угла
 между вектором B и нормалью n к плоскости контура:
Ф  B  S  cos ,
где B – модуль вектора магнитной индукции,
(1)
 – угол между
вектором B и нормалью n к плоскости контура (рис. 4).
4
Рис 4. Магнитный поток через замкнутый контур.
Направление нормали n и выбранное положительное
направление обхода l контура связаны правилом правого
буравчика.
Единица магнитного потока в системе СИ называется
вебером (Вб). Магнитный поток, равный 1 Вб, создается
магнитным полем с индукцией 1 Тл, пронизывающим по
направлению нормали плоский контур площадью 1 м2:
1 Вб = 1 Тл·  1 м2.
Фарадей экспериментально установил, что при изменении
магнитного потока в проводящем контуре возникает ЭДС
индукции  i , равная скорости изменения магнитного потока
через поверхность, ограниченную контуром, взятой со знаком
минус:
i 
Ф
.
t
(2)
Эта формула носит название закона Фарадея.
Опыт показывает, что индукционный ток, возбуждаемый
5
в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, всегда
направлен так, что создаваемое им магнитное поле препятствует
изменению магнитного потока, вызывающего индукционный
ток. Это утверждение, сформулированное в 1833 г., называется
правилом Ленца.
Рис. 5 иллюстрирует правило Ленца на примере
неподвижного проводящего контура, который находится в
однородном магнитном поле, модуль индукции которого
увеличивается во времени.
Рис 5. Иллюстрация правила Ленца.
В этом примере
Ф
 0 , а  i < 0. Индукционный ток
t
Iинд течет навстречу выбранному положительному направлению
l обхода контура.
Правило Ленца отражает тот экспериментальный факт,
что
i и
Ф
t
всегда имеют противоположные знаки (знак
«минус» в формуле Фарадея). Правило Ленца имеет глубокий
физический смысл – оно выражает закон сохранения энергии.
Изменение
магнитного
потока,
пронизывающего
6
замкнутый контур, может происходить по двум причинам.
1. Магнитный поток изменяется вследствие перемещения
контура или его частей в постоянном во времени магнитном
поле. Это случай, когда проводники, а вместе с ними и
свободные носители заряда, движутся в магнитном поле.
Возникновение ЭДС индукции объясняется действием силы
Лоренца на свободные заряды в движущихся проводниках. Сила
Лоренца играет в этом случае роль сторонней силы.
2. Вторая причина изменения магнитного потока,
пронизывающего контур, – изменение во времени магнитного
поля при неподвижном контуре. В этом случае возникновение
ЭДС индукции уже нельзя объяснить действием силы Лоренца.
Электроны в неподвижном проводнике могут приводиться в
движение только электрическим полем. Это электрическое поле
порождается изменяющимся во времени магнитным полем.
Работа
этого
поля
при
перемещении
единичного
положительного заряда по замкнутому контуру равна ЭДС
индукции в неподвижном проводнике. Следовательно,
электрическое поле, порожденное изменяющимся магнитным
полем, не является потенциальным. Его называют вихревым
электрическим
полем.
Представление
о
вихревом
электрическом поле было введено в физику великим английским
физиком Дж. Максвеллом в 1861 г..
Явление электромагнитной индукции в неподвижных
проводниках, возникающее при изменении окружающего
магнитного поля, также описывается формулой Фарадея. Таким
образом, явления индукции в движущихся и неподвижных
проводниках протекают одинаково, но физическая причина
возникновения индукционного тока оказывается в этих двух
случаях различной: в случае движущихся проводников ЭДС
индукции обусловлена силой Лоренца; в случае неподвижных
проводников ЭДС индукции является следствием действия на
свободные
заряды
вихревого
электрического
поля,
возникающего при изменении магнитного поля.
7
Практическая часть.
Перед вами на столах находится минилаборатория по
электродинамике. Её вид представлен в л. р. № 9 на рисунке 2.
Слева находятся миллиамперметр, выпрямитель ВУ-4М,
вольтметр, амперметр. Справа закреплен планшет № 1 (см. рис.
2 в л. р. № 9). В задней секции корпуса размещаются
соединительные провода цветные: красный провод используют
для подключения ВУ-4М к гнезду «+» планшета; белый провод
— для подключения ВУ-4М к гнезду «-»; желтые провода - для
подключения к элементам планшета измерительных приборов;
синие - для соединения между собой элементов планшета.
Секция закрыта откидной площадкой. В рабочем положении
площадка располагается горизонтально и используется в
качестве рабочей поверхности при сборке экспериментальных
установок в опытах.
Ход работы.
Работа проводится в два этапа. В начале индукционный
ток в катушке возбуждается постоянным магнитом, который
приближают и удаляют от нее разными полюсами и с разной
скоростью (рис.6). Затем опыт повторяют, используя для
создания в витках исследуемой катушки изменяющегося
магнитного
потока
вторую
проволочную
катушку,
подключенную к источнику электропитания (рис. 7).
Рис. 6.
8
Рис. 7.
Проволочные катушки с выводами намотаны на каркас
так, что при взгляде на них с торца, откуда выходят
соединительные провода, направление намотки будет по часовой
стрелке. К началу обмотки подключен провод оранжевого цвета,
к концу - синего. В качестве индикатора индукционного тока в
опытах используют миллиамперметр с пределом измерений 5-05 мА. Внимательно рассмотрите этот прибор и определить клеммы, к которым должна подключаться внешняя цепь, чтобы обеспечить нужные пределы измерения. Знак «-» рядом с одной из
клемм указывает на то, как надо подключать исследуемую цепь,
чтобы стрелка прибора отклонялась вправо от нулевого деления
шкалы. Для проведения первого этапа эксперимента на откидной
площадке корпуса размещают миллиамперметр и одну из
катушек, которую предварительно закрепили на подставке из
оргстекла с помощью крепежного болта. Для подключения
катушки к миллиамперметру используют гнезда, расположенные
на планшете № 1 справа.
А) Опыт начинают с того, что к торцу катушки подносят
один из полюсов магнита. Магнитом касаются крепежного болта
и фиксируют его в этом положении. Затем взгляд переводят на
стрелку миллиамперметра. Резко удаляя магнит от катушки,
замечают направление отклонения стрелки прибора. Опыт
повторяют несколько раз и убеждаются в том, что всякий раз
9
стрелка отклоняется в одну и туже сторону.
Б) Потом выполняют еще одну серию опытов, удаляя от
катушки другой полюс магнита.
В) Затем исследуйте, как влияет на направление
отклонения стрелки приближение магнита разными полюсами.
Обобщая результаты наблюдений, сделайте вывод
(письменно) о зависимости направления индукционного тока в
катушке от направления внешнего магнитного поля и характера
его изменения.
Г) Далее выясните, как сила индукционного тока зависит
от скорости изменения внешнего магнитного поля в витках
катушки. Для этого исследуйте, как изменяется максимальный
угол отклонения стрелки миллиамперметра при изменении
скорости, с которой магнит подносят к катушке и удаляют от
нее.
Второй этап эксперимента начинают с того, что собирают
электрическую цепь, показанную на рисунке 8.
На цилиндрический сердечник надевают две катушки.
Одну из них соединяют через ключ с источником
электропитания, вторую с миллиамперметром.
Д) Замыкая и размыкая ключ, наблюдайте за
направлением отклонения стрелки миллиамперметра.
Рис. 8.
10
Е) Затем измените полярность подключения катушки к
источнику и повторите наблюдение.
Ж) После этого проделайте опыт еще раз, изменив
взаимную ориентацию катушек. Для этого одну из них снимите
с сердечника, разверните на 1800 и вновь верните на место.
Все что делаете и наблюдаете записывайте к себе в
тетради.
Сравните результаты второго этапа эксперимента с
результатами первого и сделайте вывод о том, зависит ли
направление индукционного тока от природы источника
магнитного поля (постоянного магнита или проволочной
катушки) или нет, и определяется ли характером его изменения
(увеличения или уменьшения) и направлением относительно
катушки?
Вопросы для защиты лабораторной работы.
1. В чем заключается явление электромагнитной
индукции?
2. Кто открыл явление электромагнитной индукции?
3. Какие способы возникновения индукционного тока вы
знаете?
4. Дайте определение потока магнитной индукции.
Единица измерения. Формула.
5. Сформулируйте закон Фарадея.
6. Сформулируйте правило Ленца.
7. Уметь собирать электрические цепи, используемые в
работе.
11
Литература
1. Кабардин О. Ф.. Справ. Материалы: Учеб. Пособие
для учащихся.—3-е изд.—М.: Просвещение, 1991.—с.: 186-190.
2. Мякишев Г. Я..
Физика: Учебн. для 11 кл.
общеобразоват. учреждений/ Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев.—
12-е изд.—М.: Просвещение,2004. — с.: 25-35.
3. Справочник школьника. Физика/ Сост. Т. Фещенко, В.
Вожегова.–М.: Филологическое общество «СЛОВО», ООО
«Фирма» «Издательство АСТ», Центр гуманитарных наук при фте журналистики МГУ им. М. В. Ломоносова, 1998. — с.: 132,
507-510.
4. Самойленко П. И.. Физика (для нетехнических
специальностей): Учебн. для общеобразоват. учреждений сред.
Проф. Образования/ П. И.Самойленко, А. В. Сергеев.—2-е изд.,
стер.—М.: Издательский центр «Академия», 2003-с.: 228-233.
12