Проявление электромагнитной индукции в разных условиях; токи Фуко; самоиндукция; ток при размыкании; энергия магнитного поля; коэфицент индуктивности. Потокосцепление и индуктивность. Явление самоиндукции. Величина ЭДС самоиндукции. Энергия магнитного по

Если в цепи протекает изменяющийся электрический ток, то изменение тока вызывает изменение его собственного магнитного поля. В проводнике с током, который находится в изменяющемся собственном магнитном поле, возникает явление электромагнитной индукции, характеристикой которого служит э.д.с. самоиндукции .

Собственное магнитное поле тока в контуре создает магнитный поток Ф S через площадь поверхности, ограниченную самим контуром. Магнитный поток Ф S называется потоком самоиндукции контура . Если контур находится не в ферромагнитной среде, то Ф S пропорционален силе тока I в контуре: Ф s = LI .

Величина L называется индуктивностью контура и является его электрической характеристикой, подобно сопротивлению R контура и другим характеристикам. Значение L зависит от размеров контура, его геометрической формы и относительной магнитной проницаемости среды, в которой находится контур. Например, для достаточно длинного соленоида длиной l и площадью сечения витка S с общим числом витков N, магнитная индукция которого внутри имеет вид В = mu 0 NI,

индуктивность равна ,

где μ o = 4π 10 -7 Гн/м - магнитная постоянная, μ - относительная магнитная проницаемость среды, - число витков на единицу длины, V = Sl - объем соленоида.

По закону электромагнитной индукции Фарадея э.д.с. самоиндукции ε is равна .

Если контур с током не деформируется и относительная магнитная проницаемость среды постоянна, то индуктивность контура постоянна. Тогда ε is пропорциональна только скорости изменения силы тока: .

Под действием ε i s в контуре появляется индукционный ток I s который, по правилу Ленца, противодействует изменению тока в цепи, вызвавшего явление самоиндукции. Ток I s накладываясь на основной ток, замедляет его возрастание или препятствует его убыванию. Индуктивность контура является мерой его «инертности» по отношению к изменению тока в контуре. В этом смысле индуктивность L контура в электродинамике играет такую же роль, как масса тела в механике.

Для создания тока I в контуре с индуктивностью L необходимо совершить работу на преодоление э.д.с. самоиндукции. Собственной энергией W m . тока силой I называется величина, численно равная этой работе:

Собственная энергия тока сосредоточена в магнитном поле, созданном проводником с током. Поэтому говорят об энергии магнитного поля, и считается, что собственная энергия тока распределена по всему пространству, где имеется магнитное поле. Энергия магнитного поля равна собственной энергии тока. Энергия однородного магнитного поля, сосредоточенного в объеме V изотропной и неферромагнитной среды, ,

где В - индукция магнитного поля.

Объемной плотностью энергии ω m магнитного поля называется энергия, заключенная в единице объема поля:

Для магнитного поля в изотропной и неферромагнитной среде .

Это выражение справедливо не только для однородного поля, но и для произвольных, в том числе и переменных во времени, магнитных полей.

Кроме того, необходимо знать следующие формулы: для вычисления магнитной индукции прямого проводника

где r – расстояние от проводника до точки поля

Индукция магнитного поля кругового тока (r-радиус витка)

Принцип суперпозиции магнитных полей

Модуль вектора В:

Урок 87.11 Лисицкий П.А.

Раздел программы: «Магнитное поле»

Тема урока: «Явление самоиндукции. Индуктивность. Энергия магнитного поля. Решение задач»

Цель: ученик должен усвоить сущность явления самоиндукции и закона самоиндукции, а также понятие индуктивности и энергии магнитного поля.

Задачи урока.

Образовательные:

Раскрыть сущность явления самоиндукции;

Вывести закон самоиндукции и дать понятие индуктивности, а также вывести формулу энергии магнитного поля графическим способом.

Воспитательные:

Показать значение причинно- следственных связей в познаваемости явлений.

Развития мышления:

Работать над формированием умений выделять главную причину, влияющую на результат (формировать «зоркость» в поисках);

Продолжить работу по формированию умений делать выводы.

Тип урока: урок изучения нового материала.

Образовательные технологии: элементы технологии укрупнения дидактических единиц (УДЕ).

Ход урока.

1.Инициализация урока (взаимное приветствие учителя и учащихся, готовность к уроку и т.п.)

2.Знакомство с планом урока.

Сначала мы вместе восхитимся глубокими знаниями – а для этого проведём маленький устный опрос. Потом попробуем ответить на вопрос в чём суть явления самоиндукции? Что такое индуктивность? Как вычислить энергию магнитного поля? Затем потренируем мозги - порешаем задачи. И наконец, вытащим из тайников памяти кое- что ценное – явление электромагнитной индукции (тема для повторения).

2.Контролирующая беседа по теме «Явления электромагнитной индукции».

Что называют явлением электромагнитной индукции?

Формула закона электромагнитной индукции.

Как читается закон электромагнитной индукции?

Формула индукционного тока, если контур замкнут?

Формула магнитного потока.

Формула модуля вектора магнитной индукции в катушке.

3.Работа над изучаемым материалом.

Проблемный опыт.

Собрана электрическая цепь. Замкнём её и отрегулируем с помощью реостата, чтобы лампочки 1 и 2 горели одинаковым накалом. Теперь разомкнём цепь и вновь её замкнём. Лампочка 1, в цепи которой находится контур (катушка с большим числом витков медного провода), загорится полным накалом значительно позже лампочки 2.

При размыкании цепи, наоборот, лампочка 1, в цепи которой находится контур (катушка с большим числом витков медного провода), потухнет значительно позже лампочки 2.

Проецируется через компьютер и проектор слайды, для того чтобы акцентировать внимание на ключевом опыте темы.

Формулируется проблема: В чём причина данного явления?

Сразу же после замыкания ключа напряжение подаётся на обе ветви АВ и СD. В ветви CD лампочка 2 загорится практически мгновенно, т.к. число витков в реостате мало, то магнитное поле достигает своего максимального значения практически сразу. Другое дело ветви АВ. Магнитного поля в катушке до замыкания ключа К на было, а после замыкания ключа возникает ток, который возрастает. При этом возрастает и индукция магнитного поля, которое пронизывает собственные ветви катушки. В каждом из многочисленных витков наводится e i , направленная против внешней ЭДС (e)

Самоиндукцией называют явление возникновения ЭДС в том же замкнутом контуре, по которому течёт переменный ток. Найдём формулу индуктивности для данной катушки.

Магнитный поток

Модуль вектора магнитной индукции в катушке B=m 0 mnI

Число витков на единицу длины тогда магнитный поток в катушке равен , или Ф=LI (1)

Индуктивность это физическая величина, которая постоянна для данной катушки и равна , [L]=1Гн= (2)

Индуктивность проводника равна 1Гн, если в нём при изменении силы тока на 1А за 1с наводится ЭДС самоиндукции 1В.

Физический смысл индуктивности. Индуктивность- это физическая величина, численно равная ЭДС самоиндукции, возникающей в контуре при изменении силы тока на 1 Ампер за одну секунду.

Индуктивность подобна электроёмкости зависит от геометрических факторов: размеров проводника и его формы, но не зависит непосредственно от силы тока в проводнике. Кроме геометрии проводника, индуктивность зависит от магнитных свойств среды (), в которой находится проводник.

Магнитный поток в катушке прямо пропорционален силе ток. Закон самоиндукции ЭДС индукции, возникающая в катушке прямо пропорциональна скорости изменения силы тока, взятой с обратным знаком. Формула закона самоиндукции (3) Вывод формулы энергии магнитного поля графическим методом. Из рисунка видно, что энергия магнитного поля равна: Единица измерения величины будет единица измерения энергии, т.е. джоуль, отсюда учитывая ф.(1), получим: (4) Объёмной плотностью энергии называют величину, определяемую энергией, приходящей на единицу объёма. Объёмная плотность энергии магнитного поля равна: (5)

Используя формулы и B=m 0 mnI. Отсюда .

Тогда энергия магнитного поля будет равна:

Объёмная плотность энергии (магнитное давление) будет равна (6).

Применим образовательную технологию УДЕ. Для этого рассмотрим таблицу аналогов между механическими, электрическими и магнитными величинами.

Механические	Магнитные
Явление инерции	Явление самоиндукции индуктивность

Механические	Электрические
Явление деформации Коэффициент жёсткости	Явление зарядки конденсатора Электроёмкость

Подчёркиваем, что магнитный поток аналогичен импульсу частицы

Закрепление учебного материала.

Какое явление называют самоиндукцией?

Объясните, почему в замкнутом контуре, по которому течёт меняющийся либо по величине, либо по направлению ток, неизбежно возникает ещё один ток, который назвали током самоиндукции?

Какая величина называется магнитным давлением?

Решение задач.

Задача№1. Как будет меняться ток при замыкании цепи, схема которой изображена на рисунке.

Если бы в цепи не было индуктивности, то сила тока возрастала бы до максимального значения практически мгновенно. В действительности же сила тока постепенно достигает максимума за время t 1 . Связанно это с тем, что в катушке ЭДС самоиндукции . Сила тока теперь определяется не только ЭДС источника но и ЭДС индукции. Индукционный ток направлен против тока, создаваемого источником тока при замыкании.

Задача№2 Какова индуктивность катушки, если при постепенном изменении в ней силы тока от 5 до 10А за 0,1 с возникает ЭДС самоиндукции, равная 20В?

Задача№3 В катушке с индуктивностью 0,6Гн сила тока равна 20А. Какова энергия магнитного поля этой катушки? Как изменится энергия поля, если сила тока уменьшится вдвое?

Задание на дом и его инструктаж: §11.6; №5-6 упр.22 Итоги урока. Рефлексия.

Несомненно, задачный подход, новые технологии (УДЕ) преодоление ППБ, научные методы их применения при решении задач, значение которых так велико, откроет еще не одну тайну вдумчивому исследователю, занимающемуся развитием интеллекта одаренных школьников.

Электрический ток, проходящий по замкнутому контуру, создаёт в окружающем пространстве магнитное поле, часть линий которого пересекает поверхность, ограниченную этим же контуром. Таким образом, получается, что контур пронизывается своим собственным потоком. Величина потока пропорциональна величине магнитной индукции, которая в свою очередь пропорциональна силе тока, протекающего по контуру. Следовательно, величина потока прямопропорциональна силе тока.

Ф~I, Ф=LI

где коэффициент пропорциональности L – называется индуктивностью контура .

Индуктивность зависит от размеров и формы проводника, от магнитных свойств среды, в которой находится проводник.

Индуктивность – скалярная физическая величина, равная собственному магнитному потоку, пронизывающему контур, при силе тока в контуре 1 А.

Так как модуль магнитной индукции магнитного поля внутри соленоида
Знак «-» соответствует правилу Ленца.

Отсюда следует, что индуктивность численно равна ЭДС самоиндукции, возникающей в контуре при изменении силы тока на 1 А за 1 с.

Подключим контур к источнику тока. В контуре за счёт разности потенциалов на зажимах источника начинается перемещение зарядов. Ток в контуре возрастает. Следовательно, в контуре возникает ЭДС самоиндукции, препятствующая нарастанию тока. Работа источника тока по преодолению ЭДС самоиндукции и установлению тока идёт на создание магнитного поля.

Магнитное поле, также как электрическое, является носителем энергии. Энергия магнитного поля равна работе сторонних сил источника против ЭДС самоиндукции.

Объёмной плотностью энергии называется энергия, заключённая в единице объёма

Билет 14

Свободные электромагнитные колебания. Амплитуда, частота и период колебаний. Фаза калебания. Энергетические преобразования при колебаниях.

Колебанием называется процесс, при котором физические величины принимает одинаковые значения через равные промежутки времени.

Колебания характеризуются периодом и частотой.

Период Т – длительность одного колебания.

Частота n - число колебаний в единицу времени.

Гармоническими колебаниями называются колебания, при которых изменение физических величин происходит по закону синуса или косинуса.

х(t)=Аcos(wt+j 0) или х(t)=Аsin(wt+j 0), где х(t) – отклонение колеблющейся величины от положения равновесия; А – максимальное отклонение от положения равновесия или амплитуда ; w - циклическая или круговая частота , которая связана с периодом и частотой соотношениями w=2p/T, w=2pn; j=(wt+j 0) – фаза колебания, показывающая, какая часть периода прошла от начала колебаний; j 0 - начальная фаза.

Единицы измерения [n]=с -1 , [w]=рад/с, [j]=рад.

Электрическая цепь, состоящая из катушки индуктивности и ёмкости, называется колебательным контуром, так как в ней могут происходить свободные электромагнитные колебания.

Свободные электромагнитные колебания в контуре – это периодические изменения заряда на конденсаторе, силы тока в контуре и напряжения на обоих элементах контура, происходящие без потребления энергии от внешних источников.

Пусть в начальный момент времени на конденсаторе имеется заряд q 0 , а, следовательно, и напряжение на конденсаторе, и энергия электрического поля внутри конденсатора. С течением времени конденсатор начинает разряжаться. В цепи появляется ток. Заряд конденсатора, напряжение и энергия электрического поля уменьшаются. Нарастание тока в катушке обусловливает возникновение в катушке ЭДС самоиндукции, поэтому нарастание тока и разрядка конденсатора происходят не мгновенно, а по гармоническому закону.

В момент полной разрядки конденсатора сила тока и, следовательно, энергия магнитного поля в катушке достигают максимального значения.

Так как конденсатор разряжен, ток начинает убывать. Убывание тока в катушке вызывает появление ЭДС самоиндукции, стремящейся поддержать убывающий ток. Поэтому убывание тока происходит не мгновенно, а по гармоническому закону, при этом конденсатор перезаряжается.

В момент, когда ток в цепи становится равным нулю, заряд на конденсаторе, напряжение и энергия электрического поля в конденсаторе максимальны. Полярность заряда обкладок конденсатора противоположна первоначальной.

Период свободных электромагнитных колебаний определяется формулой Томсона

Т=2pÖLC.

Заряд на конденсаторе, ток в цепи, напряжение на обоих элементах контура изменяются по гармоническому закону.

q=q 0 coswt; U=U 0 coswt; I=-I 0 sinwt

Поскольку тепловые потери отсутствуют, то полная энергия идеального контура, равная сумме энергий электрического поля в конденсаторе и магнитного поля в катушке, остаётся постоянной.

W=W эл +W маг =CU 2 /2 + LI 2 /2

В моменты, когда ток в цепи отсутствует, вся энергия сосредоточена в конденсаторе и равна CU 2 max /2.

Когда конденсатор разряжен, вся энергия сосредоточена в катушке и равна LI 2 max /2.

В результате свободных электромагнитных колебаний в контуре происходит постоянный переход электрической энергии в магнитную и обратно, при этом полная энергия остаётся постоянной.

Возникновение свободных колебаний в контуре обусловлено явлением самоиндукции.

Преобразования переменного тока. Повышающие и понижающие трансформаторы, их устройство и принцип действия. Передача электрической энергии на расстояние.

Трансформатор – это электротехническое устройство, служащее для преобразования (повышения или понижения) переменного напряжения.

Состоит трансформатор из двух обмоток – первичной и вторичной, которые намотаны на общий сердечник.

Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции.

На первичную обмотку подаётся преобразуемое переменное напряжение. Переменный магнитный поток индуцирует в каждом витке первичной обмотки ЭДС самоиндукции e si . Если этот магнитный поток, благодаря наличию сердечника, практически не рассеивается и пронизывает вторичную обмотку, то в каждом витке вторичной обмотки возникает ЭДС индукции e i = e si . Значения ЭДС, возникающей в первичной и вторичной обмотках, равны Е 1 =n 1 e si и Е 2 =n 2 e i соответственно. Следовательно, отношение ЭДС в обмотках равно отношению числа витков n 1 /n 2 .

Отношение числа витков в первичной обмотке к числу витков во вторичной называется коэффициентом трансформации k. Если k>1, то трансформатор понижающий; если k<1, то – повышающий.

Режимом холостого хода трансформатора называется режим с разомкнутой вторичной обмоткой. Тогда напряжение на вторичной обмотке U 2 = n 2 e i ., а на первичной U 1 =Е 1 .

Отношения напряжений на первичной и вторичной обмотках равно отношению числа витков этих обмоток U 1 /U 2 =n 1 /n 2 .

Рабочим режимом трансформатора называется режим, при котором в цепь его вторичной обмотки включена нагрузка. Тогда U 2 =Ei- I 2 R обмот., где I 2 - ток, протекающий во вторичной обмотке.

КПД современных трансформаторов 95-99,5%. Потери энергии происходят из-за выделения тепла в обмотках трансформатора, рассеяния магнитного потока и при перемагничивании сердечника.

Трансформаторы широко используются при передаче электроэнергии на большие расстояния, так как тепловые потери пропорциональны квадрату силы тока, то более выгодно передавать электроэнергию при малом токе.

На электростанции устанавливается повышающий трансформатор, уменьшающий силу тока, а на подстанции, от которой идёт энергия к потребителю, понижающий трансформатор.

БИЛЕТ 18

Электромагнитная и квантовая теории света. Формула Планка. Корпускулярно-волновой дуализм. Энергия, импульс и масса фотона.

После создания электромагнитной теории Максвелл обратил внимание на то, что скорость распространения света в вакууме совпадает со скоростью распространения электромагнитных волн. Он выдвинул гипотезу об электромагнитной природе света, которая была подтверждена опытами. Согласно электромагнитной теории света, всякое световое излучение является электромагнитными волнами.Частота световых волн находится в интервале от 4 10 14 до 7,5 10 14 Гц.

Волновая теория хорошо объясняла явления, связанные с распространением света. Например, интерференцию, дифракцию, поляризацию, отражение, преломление. Однако, явления, связанные с взаимодействием света с веществом, с испусканием и поглощением света, объяснить на основе этой теории нельзя.

Макс Планк предположил, что свет излучается не в виде волн, а в виде определённых и неделимых порций энергии, которые он назвал квантами.

Наименьшая порция энергии, которую несёт излучение с частотой n, определяется по формуле Планка

где h=6,63 10 -34 Дж с – постоянная Планка, ħ=1,05 10 -34 Дж с, n и w -частота и циклическая частота излучения.

Развивая теорию Планка, Эйнштейн высказал предположение, что свет и распространяется, и поглощается также отдельными порциями, т.е. распространяющийся свет представляет собой «набор» движущихся элементарных частиц – фотонов. Так была создана квантовая теория света.

Самоиндукция

Каждый проводник, по которому протекает эл.ток, находится в собственном магнитном поле.

При изменении силы тока в проводнике меняется м.поле, т.е. изменяется магнитный поток, создаваемый этим током. Изменение магнитного потока ведет в возникновению вихревого эл.поля и в цепи появляется ЭДС индукции.

Это явление называется самоиндукцией.

Самоиндукция - явление возникновения ЭДС индукции в эл.цепи в результате изменения силы тока.
Возникающая при этом ЭДС называется ЭДС самоиндукции

Проявление явления самоиндукции

Замыкание цепи

При замыкании в эл.цепи нарастает ток, что вызывает в катушке увеличение магнитного потока, возникает вихревое эл.поле, направленное против тока, т.е в катушке возникает ЭДС самоиндукции, препятствующая нарастанию тока в цепи (вихревое поле тормозит электроны).
В результате Л1 загорается позже, чем Л2.

Размыкание цепи

При размыкании эл.цепи ток убывает, возникает уменьшение м.потока в катушке, возникает вихревое эл.поле, направленное как ток (стремящееся сохранить прежнюю силу тока) , т.е. в катушке возникает ЭДС самоиндукции, поддерживающая ток в цепи.
В результате Л при выключении ярко вспыхивает.

В электротехнике явление самоиндукции проявляется при замыкании цепи (электрический ток нарастает постепенно) и при размыкании цепи (электрический ток пропадает не сразу).

ИНДУКТИВНОСТЬ

От чего зависит ЭДС самоиндукции?

Электрический ток создает собственное магнитное поле. Магнитный поток через контур пропорционален индукции магнитного поля (Ф ~ B), индукция пропорциональна силе тока в проводнике
(B ~ I), следовательно магнитный поток пропорционален силе тока (Ф ~ I).
ЭДС самоиндукции зависит от скорости изменения силы тока в эл.цепи, от свойств проводника (размеров и формы) и от относительной магнитной проницаемости среды, в которой находится проводник.
Физическая величина, показывающая зависимость ЭДС самоиндукции от размеров и формы проводника и от среды, в которой находится проводник, называется коэффициентом самоиндукции или индуктивностью.

Индуктивность - физическая величина, численно равная ЭДС самоиндукции, возникающей в контуре при изменении силы тока на 1Ампер за 1 секунду.
Также индуктивность можно рассчитать по формуле:

где Ф - магнитный поток через контур, I - сила тока в контуре.

Единицы измерения индуктивности в системе СИ:

Индуктивность катушки зависит от:
числа витков, размеров и формы катушки и от относительной магнитной проницаемости среды (возможен сердечник).

ЭДС САМОИНДУКЦИИ

ЭДС самоиндукции препятствует нарастанию силы тока при включении цепи и убыванию силы тока при размыкании цепи.

ЭНЕРГИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ТОКА

Вокруг проводника с током существует магнитное поле, которое обладает энергией.
Откуда она берется? Источник тока, включенный в эл.цепь, обладает запасом энергии.
В момент замыкания эл.цепи источник тока расходует часть своей энергии на преодоление действия возникающей ЭДС самоиндукции. Эта часть энергии, называемая собственной энергией тока, и идет на образование магнитного поля.

Энергия магнитного поля равна собственной энергии тока.
Собственная энергия тока численно равна работе, которую должен совершить источник тока для преодоления ЭДС самоиндукции, чтобы создать ток в цепи.

Энергия магнитного поля, созданного током, прямо пропорциональна квадрату силы тока.
Куда пропадает энергия магнитного поля после прекращения тока? - выделяется (при размыкании цепи с достаточно большой силой тока возможно возникновение искры или дуги)

ВОПРОСЫ К ПРОВЕРОЧНОЙ РАБОТЕ

по теме "Электромагнитная индукция"

1. Перечислить 6 способов получения индукционного тока.
2. Явление электромагнитной индукции (определение).
3. Правило Ленца.
4. Магнитный поток (определение, чертеж, формула, входящие величины, их ед. измерения).
5. Закон электромагнитной индукции (определение, формула).
6. Свойства вихревого электрического поля.
7. ЭДС индукции проводника, движущегося в однородном магнитном поле (причина появления, чертеж, формула, входящие величины, их ед. измерения).
8. Самоиндукция (кратко проявление в электротехнике, определение).
9. ЭДС самоиндукции (ее действие и формула).
10. Индуктивность (определение, формулы, ед. измерения).
11. Энергия магнитного поля тока (формула, откуда появляется энергия м. поля тока, куда пропадает при прекращении тока).

Электрическое поле, возникающее при изменении магнит­ного поля, имеет совсем другую структуру, чем электростати­ческое. Оно не связано непосредственно с электрическими за­рядами, и его линии напряженности не могут на них начи­наться и кончаться. Они вообще нигде не начинаются и не кончаются, а представляют собой замкнутые линии, подобные линиям индукции магнитного поля. Это так называемое вихревое электрическое поле. Может возник­нуть вопрос: а почему, собственно, это поле называется элект­рическим? Ведь оно имеет другое происхождение и другую конфигурацию, чем статическое электрическое поле. Ответ прост: вихревое поле действует на заряд q точно так же, как и электростатическое, а это мы считали и считаем главным свойством поля. Сила, действующая на заряд, по-прежнему равна F = qE, где Е - напряженность вихревого поля.

Если магнитный поток создается од­нородным магнитным полем, сконцент­рированным в длинной узкой цилиндри­ческой трубке радиусом г 0 (рис. 5.8), то из соображений симметрии очевидно, что линии напряженности электрическо­го поля лежат в плоскостях, перпенди­кулярных линиям В, и представляют со­бой окружности. В соответствии с прави­лом Ленца при возрастании магнитной

индукции линии напряженности E образуют левый винт с направлением магнитной индукции B.

В отличие от статического или стационарного электриче­ского поля работа вихревого поля на замкнутом пути не равна нулю. Ведь при перемещении заряда вдоль замкнутой линии напряженности электрического поля работа на всех участках пути имеет один и тот же знак, так как сила и перемещение совпадают по направлению. Вихревое электрическое поле, так же как и магнитное поле, не потенциальное.

Работа вихревого электрического поля по перемещению единичного положительного заряда вдоль замкнутого непо­движного проводника численно равна ЭДС индукции в этом проводнике.

Если по катушке идет переменный ток, то магнитный поток, пронизывающий катушку, меняется. Поэтому возникает ЭДС индукции в том же самом проводнике, по которому идет переменный ток. Это явление называют самоиндукцией.

При самоиндукции проводящий контур играет двоякую роль: по нему протекает ток, вызывающий индукцию, и в нем же появляется ЭДС индукции. Изменяющееся магнитное по­ле индуцирует ЭДС в том самом проводнике, по которому течет ток, создающий это поле.

В момент нарастания тока напряженность вихревого элект­рического поля в соответствии с правилом Ленца направлена против тока. Следовательно, в этот момент вихревое поле пре­пятствует нарастанию тока. Наоборот, в момент уменьшения тока вихревое поле поддерживает его.

Это приводит к тому, что при замыкании цепи, содержа­щей источник постоянной ЭДС, определенное значение силы тока устанавливается не сразу, а постепенно с течением време­ни (рис. 5.13). С другой стороны, при отключении источника ток в замкнутых контурах прекращается не мгновенно. Воз­никающая при этом ЭДС самоиндукции может превышать ЭДС источника, так как изменение тока и его магнитного поля при отключении источника происходит очень быстро.

Явление самоиндукции можно на­блюдать на простых опытах. На рисун­ке 5.14 показана схема параллельного включения двух одинаковых ламп. Од­ну из них подключают к источнику че­рез резистор R, а другую - последова­тельно с катушкой L с железным сер­дечником. При замыкании ключа первая лампа вспыхивает практиче­ски сразу, а вторая - с заметным запозданием. ЭДС самоин­дукции в цепи этой лампы велика, и сила тока не сразу дости­гает своего максимального значения. Появление ЭДС самоиндукции при размыкании можно на­блюдать на опыте с цепью, схематически показанной на рисун­ке 5.15. При размыкании ключа в катушке L возникает ЭДС самоиндукции, поддерживающая первоначальный ток. В ре­зультате в момент размыкания через гальванометр течет ток (штриховая стрелка), направленный против начального тока до размыкания (сплошная стрелка). Причем сила тока при размыкании цепи превосходит силу тока, проходящего через гальванометр при замкнутом ключе. Это означает, что ЭДС са­моиндукции ξ. больше ЭДС ξ is батареи элементов.

Явление самоиндукции подобно явлению инерции в меха­нике. Так, инерция приводит к тому, что под действием силы тело не мгновенно приобретает определенную скорость, а по­степенно. Тело нельзя мгновенно затормозить, как бы велика ни была тормозящая сила. Точно так же за счет самоиндук­ции при замыкании цепи сила тока не сразу приобретает опре­деленное значение, а нарастает постепенно. Выключая источ­ник, мы не прекращаем ток сразу. Самоиндукция его поддер­живает некоторое время, несмотря на наличие сопротивления цепи.

Далее, чтобы увеличить скорость тела, согласно законам механики, нужно совершить работу. При торможении тело са­мо совершает положительную работу. Точно так же для созда­ния тока нужно совершить работу против вихревого электри­ческого поля, а при исчезновении тока это поле само соверша­ет положительную работу.

Это не просто внешняя аналогия. Она имеет глубокий внут­ренний смысл. Ведь ток - это совокупность движущихся за­ряженных частиц. При увеличении скорости электронов со­здаваемое ими магнитное поле меняется и порождает вихре­вое электрическое поле, которое действует на сами электро­ны, препятствуя мгновенному увеличению их скорости под действием внешней силы. При торможении, напротив, вих­ревое поле стремится поддержать скорость электронов по­стоянной (правило Ленца). Таким образом, инертность элект­ронов, а значит, и их масса, по крайней мере частично, имеет электромагнитное происхождение. Масса не может быть пол­ностью электромагнитной, так как существуют электрически нейтральные частицы, обладающие массой (нейтроны и др.)

Индуктивность.

Модуль В магнитной индукции, создаваемой током в лю­бом замкнутом контуре, пропорционален силе тока. Так как магнитный поток Ф пропорционален В, то Ф ~ В ~ I.

Можно, следовательно, утверждать, что

где L - коэффициент пропорциональности между током в проводящем контуре и созданным им магнитным потоком, пронизывающим этот контур. Величину L называют индук­тивностью контура или его коэффициентом самоиндукции.

Используя закон электромагнитной индукции и выраже­ние (5.7.1), получим равенство:

(5.7.2)

Из формулы (5.7.2) следует, что индуктивность - это физическая величина, численно равная ЭДС самоиндукции, возникающей в контуре при изменении силы тока на 1 А за 1 с.

Индуктивность, подобно электроемкости, зависит от геометрических факторов: размеров проводника и его формы, но не зависит непосредственно от силы тока в проводнике. Кроме

геометрии проводника, индуктивность зависит от магнитных свойств среды, в которой находится проводник.

Единицу индуктивности в СИ называют генри (Гн). Ин­дуктивность проводника равна 1 Гн, если в нем при измене­нии силы тока на 1 А за 1с возникает ЭДС самоиндукции 1 В:

Еще одним частным случаем электромагнитной индукции является взаимная индукция. Взаимной индукцией называют возникновение индукционного тока в замкнутом контуре (катушке) при изменении силы тока в соседнем контуре (катушке). Контуры при этом неподвижны друг от­носительно друга, как, например, катушки трансформатора.

Количественно взаимная индукция характеризуется коэффициентом взаимной индукции, или взаимной индуктивностью.

На рисунке 5.16 изображены два контура. При изменении силы тока I 1 в контуре 1 в контуре 2 возникает индукционный ток I 2 .

Поток магнитной индукции Ф 1,2 , созданный током в пер­вом контуре и пронизывающий поверхность, ограниченную вторым контуром, пропорционален силе тока I 1:

Коэффициент пропорциональности L 1, 2 называется взаим­ной индуктивностью. Он аналогичен индуктивности L.

ЭДС индукции во втором контуре, согласно закону электро­магнитной индукции, равна:

Коэффициент L 1,2 определяется геометрией обоих конту­ров, расстоянием между ними, их взаимным расположением и магнитными свойствами окружающей среды. Выражается взаимная индуктивность L 1,2 , как и индуктивность L, в генри.

Если сила тока меняется во втором контуре, то в первом контуре возникает ЭДС индукции

При изменении силы тока в проводнике в последнем воз­никает вихревое электрическое поле. Это поле тормо­зит электроны при возрастании силы тока и ускоряет при убывании.

Энергия магнитного поля тока.

При замыкании цепи, содержащей источник постоянной ЭДС, энергия источника тока первоначально расходуется на создание тока, т. е. на приведение в движение электронов про­водника и образование связанного с током магнитного поля, а также отчасти на увеличение внутренней энергии проводни­ка, т. е. на его нагревание. После того как установится посто­янное значение силы тока, энергия источника расходуется исключительно на выделение теплоты. Энергия тока при этом уже не изменяется.

Для создания тока необходимо затратить энергию, т. е. необходимо совершить работу. Объяс­няется это тем, что при замыкании цепи, когда ток начинает нарастать, в проводнике появляется вихревое электрическое поле, действующее против того электрического поля, которое создается в проводнике благодаря источнику тока. Для того чтобы сила тока стала равной I, источник тока должен совер­шить работу против сил вихревого поля. Эта работа и идет на увеличение энергии тока. Вихревое поле совершает отрица­тельную работу.

При размыкании цепи ток исчезает и вихревое поле совер­шает положительную работу. Запасенная током энергия выде­ляется. Это обнаруживается по мощной искре, возникающей при размыкании цепи с большой индуктивностью.

Записать выражение для энергии тока I, текущего по цепи с индуктивностью L, можно на основании аналогии между инерцией и самоиндукцией.

Если самоиндукция аналогична инерции, то индуктив­ность в процессе создания тока должна играть ту же роль, что и масса при увеличении скорости тела в механике. Роль ско­рости тела в электродинамике играет сила тока I как величи­на, характеризующая движение электрических зарядов. Если это так, то энергию тока W m можно считать величиной, подобной кинетической энергии тела - в механике, и записать в виде.