Самоіндукція. Індуктивність.

Енергія магнітного поля.

Мета.

Навчальна. Ввести поняття самоіндукції та індуктивності котушки. Вивести формули для розрахунку енергії магнітного поля.

Розвиваюча. Розвивати фізичну компетентність, цікавість до вивчення предмету.

Виховна. Виховувати культуру наукового мислення та мовлення.

Тип уроку. Урок засвоєння нових знань.

Дидактичні матеріали:

• Підручник. Фізика 11 кл. Рівень стандарту:/ Бар'яхтар В.Г., Довгий С.О.
• Відео. Явище самоіндукції

План

1. Організаційний момент. Актуалізація опорних знань.
2. Самоіндукція. Індуктивність. Енергія магнітного поля.
3. Вчимося розв’язувати задачі.
4. Запитання до уроку.
5. Домашнє завдання.
6. Перевір себе.

Хід уроку

1. Організаційний момент. Актуалізація опорних знань.

Перевірка домашнього завдання.

2. Самоіндукція. Індуктивність. Енергія магнітного поля.

Самоіндукція. Явище самоіндукції виявив американський вчений Д. Генрі в 1832 році.

Будь-яка зміна магнітного потоку, за законом електромагнітної індукції, зумовлює появу вихрового електричного поля, яке спричинює появу ЕРС в усіх замкнутих провідниках, що знаходиться в цьому полі.

.

Індуктивність L характеризує електромагнітні властивості провідника чи котушки і залежить від форми  і розмірів провідника, а також магнітних властивостей середовища.

Самоіндукція — явище виникнення електрорушійної сили в провіднику при зміні електричного струму в ньому. Знак електрорушійної сили завжди такий, що вона протидіє зміні сили струму. Самоіндукція призводить до скінченного часу наростання сили струму при вмиканні джерела живлення і спадання струму при розмиканні електричного кола.

Енергія магнітного поля. Будь-які зміни сили струму в котушці викликають появу ЕРС самоіндукції і приводять до виконання роботи джерелом струму для компенсації її дії.

 ; ; .

При замиканні кола струм не має сталого значення, то для спрощення розрахунків вважатимемо, що сила струму змінюється лінійно з плином часу від 0 до . Тоді значення сили струму . Врахуємо, що .

 .

Робота, виконана джерелом струму, дорівнює енергії магнітного поля котушки зі струмом:

  або .

3. Вчимося розв’язувати задачі.

Задача 27.1. Котушка має 500 витків. При зміні сили струму на 2 А магнітний потік через кожен виток змінюється на 4 мВб. Визначте індуктивність котушки.

Задача 27.2. Визначити індуктивність котушки, якщо за зміни в ній струму зі швидкістю 80 А/с ЕРС самоіндукції дорівнює 30 В.

4. Запитання до уроку.

Запитання 27.1. Що таке самоіндукція? Як проявляється явище самоіндукції при розмиканні та замиканні електричного кола? За якою формулою розраховується?

Запитання 27.2. Що таке індуктивність, від чого вона залежить? Як позначається? В яких одиницях вимірюється?

Запитання 27.3. Назвіть всі відомі вам формули визначення магнітного потоку.

Запитання 27.4. Чому дорівнює робота, виконана джерелом струму? Якою формулою розраховують енергію магнітного поля?

Запитання 27.5. Які перетворення енергії відбуваються під час замикання електричного кола з індуктивністю?

Запитання 27.6. Які перетворення енергії відбуваються під час розмикання електричного кола з індуктивністю?

5. Домашнє завдання.

Підручник: §14.

Задача 27.3. По обмотці соленоїда індуктивністю 0,2 Гн протікає струм 10 А. Визначте енергію магнітного поля соленоїда. (В. 10 Дж)

Задача 27.4. Індуктивність котушки (без осердя) рівна 0,1 мГн. При якій силі струму енергія магнітного поля рівна 100 мкДж? (В. 1, 41 А)

Усне опитування по запитаннях до уроку.

Підготуватися до тестування. Магнітний потік. Закон електромагнітної індукції. Самоіндукція.

6. Перевір себе.

Тести онлайн. Магнітний потік. Закон електромагнітної індукції. Самоіндукція. (Відповіді учнів) (Тестові завдання)

7. Для допитливих.

Розширюємо кругозір. Створена магнітна система, здатна перетворювати тепло безпосередньо в механічний рух. Дослідники з університету Ексетера створили мікроскопічну магнітну систему, яка виявилась здатною створювати механічний рух, використовуючи для цього теплову енергію, що надходить з навколишнього середовища. Цей новий принцип прямого перетворення енергії з одного виду в інший може бути використаний для забезпечення роботи різних наномашин, мікро-роботів, на цьому принципі може бути заснована робота нових типів датчиків і пристроїв зберігання інформації наступного покоління.

В основі нової магнітної системи лежить досить поширений механізм, відомий під назвою “храповик”. Цей тепловий храповик виготовлений із доволі незвичного матеріалу, який можна назвати терміном “штучний спін-лід” (artificial spin ice), в товщу якого включено безліч крихітних наномагнітів, наночастинок їх пермалоєвого сплаву, сплаву заліза і нікелю.

Крім теплової енергії, така система здатна перетворювати в рух енергію магнітного поля, яке призводить до зміщення векторів намагнічування окремих наномагнітів. При цьому, дане зміщення має кільцевий характер і обертається в одному з двох можливих напрямків. “Ми досить довго намагалися розібратися, чому це працює взагалі” – розповідає професор Джино Ркак (Gino Hrkac), – “І лише в самому кінці ми зрозуміли, що на протилежних краях теплового храповика створюється асиметричний енергетичний потенціал, що відбивається на розподілі сукупного магнітного поля безлічі наномагнітів. І ця асиметрія змушує зону намагніченості обертатись в одному з двох напрямків”.

Для вивчення особливостей магнітного стану теплового храповика вчені використовували рентген і так званий дихроїчний магнітний ефект (magnetic dichroic effect). А самі вимірювання були зроблені за допомогою джерела рентгенівського випромінювання SLS інституту Пола Шеррера, Швейцарії, і джерела Advanced Light Source Національної лабораторії імені Лоуренса в Берклі, США.

Як вже згадувалось вище, новий ефект, що працює на рівні умовно двовимірних магнітних матеріалів, може бути використаний у різних нанорозмірних пристроях, включаючи магнітні й теплові нанодвигуни, датчики і т. п. Крім цього, новий ефект може стати основним принципом роботи нових пристроїв зберігання інформації, біти яких записуються на магнітні комірки шляхом їх швидкого локального нагріву за допомогою імпульсів лазерного світла.