УСІ УРОКИ ФІЗИКИ 11 клас
АКАДЕМІЧНИЙ РІВЕНЬ

1-й семестр

ЕЛЕКТРОДИНАМІКА

3. Електромагнітне поле

УРОК 9/36

Тема. Самоіндукція. Індуктивність

Мета уроку: розширити уявлення учнів про явище електромагнітної індукції; роз'яснити сутність явища самоіндукції.

Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.

ПЛАН УРОКУ

ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

1. Самоіндукція

Якщо магнітний потік через замкнутий контур змінюється, то виникає вихрове електричне поле, а внаслідок цього — ЕРС індукції в котушці. Магнітний потік не обов’язково повинен бути створений полем магніту або полем іншої котушки: точно так само потік може бути створений електричним струмом самої котушки. Отже, магнітний потік може змінюватися під час зміни сили струму в котушці.

Тому будь-яка зміна сили струму в котушці призводить до виникнення в цій же котушці ЕРС (її називають ЕРС самоіндукції ).

Ø  Самоіндукція — явище виникнення ЕРС індукції в провідному контурі внаслідок зміни сили струму в цьому ж контурі.

Відповідно до правила Ленца ЕРС самоіндукції протидіє зміні сили струму. Отже, самоіндукція завжди послабляє збільшення сили струму після замикання кола постійного струму. За відсутності самоіндукції сила струму миттєво зросла б до максимального значення під час замикання ключа. Але якщо в колі є котушка зі значною кількістю витків, а тим більше з феромагнітним сердечником, сила струму підвищуватиметься значно повільніше.

Отже, внаслідок явища самоіндукції замкнутий контур зі струмом володіє «інертністю»: силу струму в контурі, що містить котушку, не можна збільшити миттєво. У той же час її не можна й зменшити миттєво.

2. ЕРС самоіндукції

Як відомо учням, енергетичною характеристикою вихрового електричного поля є ЕРС індукції. Оскільки самоіндукція є окремим випадком електромагнітної індукції, то для обчислення ЕРС самоіндукції можна застосувати формулу:

де N — число витків.

Однак на практиці ЕРС самоіндукції пов’язують не зі швидкістю зміни магнітного потоку, а зі швидкістю зміни сили струму. Модуль вектора індукції магнітного поля, створюваного струмом, пропорційний силі струму. Оскільки магнітний потік Ф пропорційний B, то Ф ~ B ~ I.

Отже, можна стверджувати, що Ф = LI, де L — коефіцієнт пропорційності між струмом у провідному контурі й магнітному потоці, що пронизує цей контур. Величину L називають коефіцієнтом самоіндукції або індуктивністю контуру.

Якщо вважати, що форма контуру залишається незмінною й магнітний потік змінюється тільки за рахунок зміни сили струму, то для ЕРС самоіндукції одержимо:

3. Індуктивність

Струм I, що протікає через будь-який замкнутий контур, створює магнітний потік Ф, що пронизує поверхню, обмежену цим провідником. Якщо провідник нерухомий і магнітні властивості

середовища не змінюються, магнітний потік пропорційний силі струму: Ф ~ I або Ф = LI, де L — величина, що характеризує контур (наприклад, котушку) і навколишнє його середовище (сердечник).

За такого способу введення індуктивності її фізичний зміст визначають з виразу:

Ø  Індуктивність — це власна якість провідного контуру, обумовлена відношенням зміни потоку магнітної індукції, що пронизує контур, до зміни сили струму в ньому.

З останнього виразу випливає, що індуктивність чисельно дорівнює потоку магнітної індукції, яка створюється силою струму в 1 А. У системі СІ одиницею індуктивності є генрі (Гн). Ця одиниця названа на честь американського фізика Джозефа Генрі, що спостерігав уперше явище самоіндукції 1832 року, наступного року після відкриття явища електромагнітної індукції:

1 генрі — це індуктивність такого провідника, у якому струм силою в 1 А створює магнітний потік в 1 Вб.

Для розв’язання задач із використанням формули  можна дати й інше визначення індуктивності й одиниці її виміру.

При ΔI = 1 А й Δt = 1 c одержуємо:  Таким чином, відповідно до збільшення індуктивності зростає й ЕРС індукції.

Індуктивність провідника дорівнює 1 Гн, якщо в ньому за зміни сили струму в 1 А за 1 с виникає ЕРС самоіндукції 1 В:

ПИТАННЯ ДО УЧНІВ У ХОДІ ВИКЛАДУ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

Перший рівень

1. У який момент зазвичай іскрить рубильник: у разі замикання або розмикання кола?

2. Коли можна спостерігати явище самоіндукції в колі постійного струму?

3. Чому не можна миттєво змінити силу струму в замкнутому контурі?

Другий рівень

1. Як залежить значення модуля вектора магнітної індукції від сили струму?

2. Досліди показують, що індуктивність котушки збільшується відповідно до збільшення числа витків у котушці. Як цей факт можна пояснити?

ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ

1). Якісні питання

1. Чому за відриву дуги трамвая від повітряного проводу виникає іскріння?

2. Електромагніт з розімкнутим сердечником увімкнений у коло постійного струму. Під час замикання сердечника якорем відбувається короткочасне зменшення сили струму в колі. Чому?

3. Чому відімкнення від живильної мережі потужних електродвигунів здійснюють плавно й повільно за допомогою реостата?

2). Навчаємося розв'язувати задачі

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

Розв'язання. Сила струму в котушці збільшується поступово внаслідок явища самоіндукції. Скористаємося законом Ома для повного кола:  де — повна ЕРС кола, що складається з ЕРС джерела й ЕРС самоіндукції:  Тоді закон Ома набуває вигляду:

Оскільки  звідки  де ΔI/Δt - швидкість зміни сили струму.

Струм у котушці змінюється рівномірно, тому час, за який він досягне значення 10 А, дорівнює:

Визначимо значення шуканої величини:

Відповідь: час, за який струм у котушці досягне значення 10 А, становить 2,5 с.

2. Знайдіть індуктивність провідника, у якому рівномірна зміна сили струму на 2 А упродовж 0,25 с збуджує ЕРС самоіндукції 20 мВ.

ЩО МИ ДІЗНАЛИСЯ НА УРОЦІ

✵  Самоіндукція — явище виникнення ЕРС індукції в провідному контурі внаслідок зміни сили струму в цьому ж контурі.

✵  ЕРС самоіндукції:

✵  Індуктивність — це власна якість провідного контуру, обумовлена відношенням зміни потоку магнітної індукції, що пронизує контур, до зміни сили струму в ньому.

✵  Індуктивність провідника дорівнює 1 Гн, якщо в ньому в разі зміни сили струму в 1 А за 1 с виникає ЕРС самоіндукції 1 В.

Домашнє завдання

1. Підр-1: § 23 (п. 1, 2).; підр-2: § 13 (п. 1, 2).

2. Зб.:

Рів1 № 8.4; 8.5; 8.20; 8.21.

Рів2 № 8.46; 8.47; 8.48; 8.49.

Рів3 № 8.59, 8.60; 8.61; 8.62.