фізика 18/21

 07.03.2023

Уроки 68, 69

Тема. Самоіндукція. Індуктивність. Енергія магнітного поля. Використання явища електромагнітної індукції

Завдання:

1. Опрацювати теоретичний матеріал
2. Записати конспект в зошит
3. Записати розв'язок задач в зошит
4. Відповісти на запитання в зошиті
5. Розв'язати задачі в зошиті
6. Переглянути відео, знизу за посиланням

https://www.youtube.com/watch?v=Cx6zvfpjY44

https://www.youtube.com/watch?v=ZO41gUFH2Z4

викор явища електрмагн ііндукції

1. У чому полягає явище самоіндукції

Складемо електричне коло (рис. 14.1). Після замкнення кола лампа 1 спалахне практично відразу, а лампа 2 — з помітним запізненням. Якщо коло розімкнути, то обидві лампи згаснуть одночасно, однак у момент розімкнення їхня яскравість на мить збільшиться. Чому так відбувається?

Рис. 14.1. Спостереження явища самоіндукції

Явище виникнення вихрового електричного поля в провіднику, в якому тече змінний електричний струм, називають явищем самоіндукції.

2. EPC самоіндукції. Індуктивність

Електрорушійну силу індукції, що створюється в провіднику внаслідок зміни його власного магнітного поля, називають електрорушійною силою самоіндукції Еіs.

Отже, закон самоіндукції:

ЕРС самоіндукції прямо пропорційна швидкості зміни сили струму в провіднику:

Коефіцієнт пропорційності L називають індуктивністю провідника.

Індуктивність L — фізична величина, яка характеризує провідник і чисельно дорівнює ЕРС самоіндукції, що виникає в провіднику в разі зміни сили струму на 1 ампер за 1 секунду:

Одиниця індуктивності в СІ — генрі: [L] = 1 Гн (Н); названа на честь американського фізика Джозефа Генрі (1797-1878), який у 1831 р. відкрив явище самоіндукції.

Індуктивність провідника дорівнює 1 генрі, якщо в ньому виникає ЕРС самоіндукції 1 В у разі зміни сили струму на 1 А за 1 с:

Велику індуктивність мають обмотки генераторів і двигунів, тому під час розімкнення кола, коли сила струму швидко змінюється, ЕРС самоіндукції може сягнути такого значення, що відбудеться пробій ізоляції.

Зверніть увагу!

Індуктивність — це характеристика провідника, тому вона не залежить ані від сили струму в провіднику, ані від ЕРС самоіндукції, що виникає в провіднику внаслідок зміни струму.

Індуктивність залежить:

• від магнітних властивостей середовища, в якому розташований провідник;
• розмірів і форми провідника (так, індуктивність прямого проводу набагато менша, ніж індуктивність того самого проводу, намотаного на олівець);
• наявності та форми осердя.

Наприклад, індуктивність соленоїда обчислюють за формулою:

де μ — магнітна проникність матеріалу, з якого виготовлено осердя (див. § 15); μ0 — магнітна стала; N — кількість витків у соленоїді; l і S — відповідно довжина і площа поперечного перерізу соленоїда.

3. Як обчислити енергію магнітного поля

З’ясуємо, за рахунок якої енергії вихрове електричне поле підтримує струм у колі після відключення джерела живлення. Прості міркування приводять до висновку: енергія була накопичена в магнітному полі провідника (котушки) раніше. Дійсно (див. рис. 14.2):

• 1) джерело живлення починає працювати відразу після замикання кола, але струм у колі сягає максимального значення не миттєво. Це означає, що протягом інтервалу часу 0 - t1 енергія джерела витрачається ще на щось;
• 2) протягом інтервалу часу 0 - t1 біля котушки створюється досить помітне магнітне поле й окрім цього жодних змін не відбувається. Тобто енергія витрачається саме на створення магнітного поля.

Рис. 14.2. Графік залежності сили струму в колі котушки від часу: t = 0 — момент замкнення кола; t = t2 — момент розімкнення кола

Очевидно: чим більшої сили досяг струм у котушці (провіднику), тим більшою буде накопичена енергія. Енергія магнітного поля буде більшою і в разі більшої індуктивності L котушки, адже в такому випадку струм повільніше досягатиме максимального значення. Точні розрахунки із застосуванням інтегрування дають таку формулу для визначення енергії (Wм) магнітного поля:

Енергія магнітного поля провідника зі струмом дорівнює половині добутку індуктивності провідника на квадрат сили струму в провіднику.

4. Учимося розв'язувати задачі

Задача. Надпровідну котушку індуктивністю 5,0 Гн замикають на джерело струму з ЕРС 20 В і нехтовно малим внутрішнім опором. Вважаючи, що сила струму в котушці збільшується рівномірно, визначте час, за який сила струму досягне 10 А.

Підбиваємо підсумки

Контрольні запитання

1. Опишіть дослід, який демонструє, що після замкнення кола, яке містить котушку індуктивності, струм у колі зростає поступово. Чим зумовлене це явище? 2. Дайте означення самоіндукції. 3. Сформулюйте закон самоіндукції. 4. Дайте означення індуктивності. Назвіть її одиницю в СІ. 5. Доведіть, що магнітне поле має енергію. За якою формулою її обчислюють? 6. Проведіть аналогію між масою та індуктивністю.

Розв'язати задачі в зошиті:

1. За 0,1 с сила струму в котушці рівномірно збільшилась від 0 до 1,5 А. Якою є індуктивність котушки, якщо ЕРС самоіндукції в ній — 2 В?

2. Унаслідок зменшення сили струму в котушці від 10 до 4 А енергія її магнітного поля зменшилася на 16 Дж. Якою є індуктивність котушки?