Явление электромагнитной индукции. Вихревое электрическое поле

Вихревое электрическое поле.

Школьники уже изучили потенциальные электростатическое и стационарное поля, а также вихревое магнитное поле. Теперь их нужно познакомить с вихревым электрическим полем, а также с изменениями во времени электрического и магнитного вихревых полей, со связью этих полей. Все это удается сделать при изучении явления электромагнитной индукции, открытого М. Фарадеем.

В формировании понятия электромагнитной индукции можно выделить несколько этапов. Первый этап состоит в рассмотрении экспериментов М.Фарадея, где на основании демонстрационных опытов с внесением постоянного магнита в катушку, замкнутую на гальванометр, выясняется, что:

1.Если в проволочную катушку соединенную с гальванометром вносить полосовой магнит одним из полюсов, стрелка гальванометра отклоняется, Ток существует только во время движения магнита. Если магнит неподвижен относительно катушки то тока нет.

2. Если магнит вынимать из катушки, стрелка снова отклоняется, но уже в противоположную сторону.

3. Если вносить магнит противоположным полюсом, то стрелка магнита отклоняется в сторону, противоположную той, в которую она отклонялась в первом опыте. Вынимая магнит из катушки, замечаем что стрелка отклоняется в другую сторону.

На основании анализа опытов одновременно с наглядной иллюстрацией силовых линий магнитного поля постоянного магнита дается первичное определение явлению: возникновение индукционного тока в замкнутом проводящем контуре при изменении числа силовых линий, пронизывающих его. При этом необходимо акцентировать внимание учащихся на разное направление индукционного тока в различных вариантах опыта.

Важно подчеркнуть, что силовые линии магнитного поля – это модель, а не величина, которая может вызывать возникновение индукционного тока.

В связи с этим необходимо ввести физическую величину, изменение которой вызывало бы индукционный ток.

Следующими шагом к правильному пониманию явления электромагнитной индукции является введение понятия магнитного потока как величины, равной произведению магнитной индукции на площадь проводящего контура и косинус угла между вектором магнитной индукции и вектором нормали к плоскости контура.

Ф = ВScosα

Далее необходимо провести опыты, иллюстрирующие все возможные случаи возникновения индукционного тока при изменении магнитного потока, пронизывающего контур данный контур. На основании опытов можно сформулировать следующее определение электромагнитной индукции: явление возникновения индукционного тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего его.

Обобщая накопленный фактологический материал сформулируем чследующие основные положения.

1. При всяком изменении магнитнлнго потока, пронизывающего контур замкнутого проводника, в последнем возникает индукционный ток.

2. Индукционный ток меняет направление в зависимости от направления индукции магнитного поля и знака изменения магнитного потока.

Заключительным этапом, на котором формулируется признанное в физике определение электромагнитной индукции является изучение закона электромагнитной индукции. Перед изучением этого закона необходимо вспомнить условия существования электрического тока в проводнике – наличие свободных зарядов и электрического поля. При изучении постоянного тока было выяснено, что электрическое поле совершает работу по перемещению свободных электронов, которая характеризуется электродвижущей силой. То есть для возникновения тока необходимо наличие ЭДС.

Таким образом, возникновение индукционного тока связано с возбуждением электродвижущей силы. А, значит, явление электромагнитной индукции состоит в возникновении индукционного тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего его.

После этого формулируется закон электромагнитной индукции: во всех случаях ЭДС индукции равна скорости изменения магнитного потока через площадь, ограниченную контуром, взятую с обратным знаком. Этот закон записывается в дифференциальном виде, но в школьном курсе вместо дифференциалов берут конечные приращения, или изменения. ЭДС электромагнитной индукции

Знак «минус» в законе объясняется правилом Ленца или законом сохранения энергии.

После формулировки закона электромагнитной индукции необходимо еще раз проанализировать возможные случаи возникновения ЭДС индукции: при изменении величины магнитной индукции, при изменении площади контура, при изменении угла либо при изменении нескольких величин сразу.

На основании опытов по иллюстрации правила Ленца учащимся сообщается алгоритм определения направления индукционного тока.

Важная цель изучения явления электромагнитной индукции - разобраться в физической сущности явления. При этом необходимо рассмотреть причины возникновения электромагнитной индукции. ЭДС индукции возникает при изменении магнитного потока пронизывающего контур, но магнитный поток может меняться по нескольким причинам. Может меняться площадь поперечного сечения, индукция магнитного поля пронизывающего контур, одновременно и то и другое. Тогда поскольку

Ф=BS, а ЭДС. и DФ=BS

то отсюда следует, что

В первом случае меняется площадь контура. На заряды в проводнике действует сила Лоренца, которая при возможности перемещает заряды. Во втором случае изменяется магнитное поле. Проводники и заряды в данном случае неподвижны. Поскольку на неподвижные электрические заряды может действовать только электрическое поле, то делают вывод о том, что появление электрического поля вызвано изменяющимся магнитным полем. Силовой характеристикой электрического поля является напряженность Е. Энергетической характеристикой является ЭДС.

На существование вихревого электрического поля было указано Дж. Кл. Максвеллом. Ученый детально проанализировал явление электромагнитной индукции и сделал вывод: причина появления ЭДС индукции заключается в возникновении вихревого электрического поля.

Индукционное электрическое поле имеет ряд особенностей (отличается от поля покоящегося заряда, поля постоянного тока), так как оно не вызвано каким-то определенным распределением зарядов, а определяется изменением магнитного поля.

Особенности вихревого электрического поля целесообразнее выяснить, сравнивая его с другими видами полей, а именно: электрическим, имеющим потенциальный характер, и магнитным полем, которое, как и индукционное электрическое поле, является вихревым.

Индукционное электрическое поле, в отличие от электростатического, не потенциально, оно является полем вихревым: линии напряженности вихревого электрического поля замкнутые (они представляют собой окружности, охватывающие изменяющийся магнитный поток), подобно линиям индукции магнитного поля прямолинейного проводника с током.

Дата добавления: 2014-12-27