Экспериментальное задание по теме: «И Фарадей, и Ленц, и Максвелл.»

Экспериментальное задание по теме:
«И Фарадей, и Ленц, и Максвелл.»

Явление электромагнитной индукции

В 1831 г. М. Фарадеем было сделано одно из наиболее важных открытий – явление электромагнитной индукции. Оно заключается в том, что в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока, охватываемого этим контуром, возникает переменный электрический ток, который называется индукционным.

Фарадей обнаружил, что индукционный ток в проводящем контуре можно вызвать двумя различными способами:

1 – при перемещении замкнутого проводящего контура в стационарном магнитном поле;

2 – при изменении магнитного поля, в котором находится неподвижный контур.

Появление индукционного тока обусловлено тем, что при изменении магнитного потока в контуре возникает ЭДС индукции εi. Величина εi не зависит от того, каким образом осуществляется изменение магнитного потока Ф – потока вектора магнитной индукции через поверхность S, и определяется лишь скоростью его изменения dФ/dt. Изменение знака производной dФ/dt приводит к изменению знака ЭДС индукции.

Правило Ленца

Направление индукционного тока (а значит и знак ЭДС индукции) определяются правилом Ленца: индукционный ток всегда направлен так, чтобы противодействовать причине, его вызывающей. Иначе говоря, индукционный ток создает магнитный поток, препятствующий изменению магнитного потока, вызывающего этот ток.

Рис. 1. Иллюстрация к правилу Ленца.

 Контур покоится в переменном магнитном поле.

Опыт показывает, что изменяющееся во времени магнитное поле вызывает в замкнутом покоящемся контуре индукционный ток. Возникновение этого тока обусловлено наличием сторонних сил. Какова их природа? Это не может быть сила Лоренца,  т.к. проводник неподвижен.

Максвелл предположил, что изменяющееся во времени магнитное поле приводит к появлению в пространстве электрического поля. При этом проводники играют второстепенную роль, т.к. поле существует как в проводнике, так и вне его, однако в проводнике под действием этого электрического поля заряды приходят в движение. Это электрическое поле существенно отличается от электростатического: оно не потенциальное, а вихревое. Силовые линии вихревого электрического поля замкнуты. Работа сил вихревого электрического поля при перемещении заряда по замкнутому контуру не равна нулю.   

Внимательно, изучив теорию по теме: «Явление электромагнитной индукции»   мы  решили  повторить опыт Фарадея  с магнитом, который проходит сквозь катушки  разного  диаметра и имеющих разное количество витков.  Перед собой мы поставили следующие цели:

1.Оценить  заряд, проходящий через катушки разного диаметра и имеющих разное количество витков.

2. Зависит ли   величина этого заряда от силы индукционного тока, возникающего в катушках во время  падения магнита.

3.Получить график зависимости  изменения магнитной индукции  от времени падения  магнита сквозь катушки.

Оборудование: катушки разного диаметра и имеющие разное количество витков медного провода, миллиамперметр, стеклянная трубка, постоянный магнит, штатив, компьютерный измерительный блок с датчиком для измерения магнитной индукции магнитного поля, компьютер, соединительные провода, электронный секундомер.

Проведение эксперимента.

Вывод:  В ходе проделанного эксперимента оценили  величину электрического заряда, проходящего  через катушки разного диаметра, и имеющих разное количество витков. Определили, что значение   заряда зависит от того сколько витков имеет катушка, какова её длина. Чем больше витков имеет катушка, тем большей величины возникает в ней ток, а, следовательно, и заряд.

В случае движения постоянного магнита сквозь катушку вследствие изменения магнитного потока, пронизывающего витки катушки, в ней возникает импульс ЭДС индукции. Величину этих импульсов можно оценить по графикам, построенным в ходе эксперимента.  Из графиков видно, что самый большой импульс возникает в катушке, которая имеет самое большое количество витков. Следовательно,  в ней возникает  самый большой ток, и как следствие  заряд будет иметь самое большое значение.