Вихревое электрическое поле: зарождение и свойства. Вихревое электрическое поле Индуцированное электрическое поле создается его силовые линии

ЭДС индукции возникает либо в неподвижном проводнике, помещенном в изменяющееся во времени поле, либо в проводнике, движущемся в магнитном поле, которое может не меняться со временем. Значение ЭДС в обоих случаях определяется законом (12.2), но происхождение ЭДС различно. Рассмотрим сначала первый случай.

Пусть перед нами стоит трансформатор - две катушки, надетые на сердечник. Включив первичную обмотку в сеть, мы получим ток во вторичной обмотке (рис. 246), если она замкнута. Электроны в проводах вторичной обмотки придут в движение. Но какие силы заставляют их двигаться? Само магнитное поле, пронизывающее катушку, этого сделать не может, так как магнитное поле действует исключительно на движущиеся заряды (этим-то оно и отличается от электрического), а проводник с находящимися в нем электронами неподвижен.

Кроме магнитного поля, на заряды действует еще поле электрическое. Причем оно-то может действовать и на неподвижные заряды. Но ведь то поле, о котором пока шла речь (электростатическое и стационарное поле), создается электрическими зарядами, а индукционный ток появляется под действием переменного магнитного поля. Это заставляет предположить, что электроны в неподвижном проводнике приводятся в движение электрическим полем и это поле непосредственно порождается переменным магнитным полем. Тем самым утверждается новое фундаментальное свойство поля: изменяясь во времени, магнитное поле порождает электрическое поле. К этому выводу впервые пришел Максвелл.

Теперь явление электромагнитной индукции предстает перед нами в новом свете. Главное в нем - это процесс порождения магнитным полем поля электрического. При этом наличие прово дящего контура, например катушки, не меняет существа дела. Проводник с запасом свободных электронов (или других частиц) лишь позволяет обнаружить возникающее электрическое поле. Поле приводит в движение электроны в проводнике и тем самым обнаруживает себя. Сущность явления электромагнитной индукции в неподвижном проводнике состоит не столько в появлении индукционного тока, сколько в возникновении электрического поля, которое приводит в движение электрические заряды.

Возникающее при изменении магнитного поля электрическое поле 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 (рис. 247).

Направление его силовых линий совпадает с направлением индукционного тока. Сила, действующая со стороны вихревого электрического поля на заряд по-прежнему равна: Но в отличие от стационарного электрического поля работа вихревого поля на замкнутом пути не равна нулю. Ведь при перемещении заряда вдоль замкнутой линии напряженности

электрического поля (рис. 247) работа на всех участках пути будет иметь один и тот же знак, так как сила и перемещение совпадают по направлению. Работа вихревого электрического поля по перемещению единичного положительного заряда на замкнутом пути представляет собой ЭДС индукции в неподвижном проводнике.

Бетатрон. При быстром изменении магнитного поля сильного электромагнита появляются мощные вихри электрического поля, которые можно использовать для ускорения электронов до скоростей, близких к скорости света. На этом принципе основано устройство ускорителя электронов - бетатрона. Электроны в бетатроне ускоряются вихревым электрическим полем внутри кольцевой вакуумной камеры К, помещенной в зазоре электромагнита М (рис. 248).

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.

Причина возникновения электрического тока в неподвижном проводнике - электрическое поле. Всякое изменение магнитного поля порождает индукционное электрическое поле независимо от наличия или отсутствия замкнутого контура, при этом если проводник разомкнут, то на его концах возникает разность потенциалов; если проводник замкнут, то в нем наблюдается индукционный ток.

Индукционное электрическое поле является вихревым. Направление силовых линий вихревого эл. поля совпадает с направлением индукционного тока Индукционное электрическое поле имеет совершенно другие свойства в отличии от электростатического поля.

электростатическое поле	индукционное электрическое поле (вихревое электр. поле)
1. создается неподвижными электр. зарядами	1. вызывается изменениями магнитного поля
2. силовые линии поля разомкнуты - -потенциальное поле	2. силовые линии замкнуты - - вихревое поле
3. источниками поля являются электр. заряды	3. источники поля указать нельзя
4. работа сил поля по перемещению пробного заряда по замкнутому пути = 0.	4. работа сил поля по перемещению пробного заряда по замкнутому пути = ЭДС индукции

Вихревые токи

Индукционные токи в массивных проводниках называюттоками Фуко. Токи Фуко могут достигать очень больших значений, т.к. сопротивление массивных проводников мало.Поэтому сердечники трансформаторов делают из изолированных пластин. В ферритах - магнитных изоляторах вихревые токи практически не возникают.

Использование вихревых токов

Нагрев и плавка металлов в вакууме, демпферы в электроизмерительных приборах.

Вредное действие вихревых токов

Это потери энергии в сердечниках трансформаторов и генераторов из-за выделения большого количества тепла.

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. Вывод в электротехнике явление самоиндукции проявляется при замыкании цепи (эл.ток нарастает постепенно) и при размыкании цепи (эл.ток пропадает не сразу).

ИНДУКТИВНОСТЬ

От чего зависит ЭДС самоиндукции? Эл.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 - физ. 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.

Среди всех учебных дисциплин физика – наиболее поддающийся компьютеризации предмет. Информационные технологии можно использовать для изучения теоретического материала, тренинга, в качестве средства моделирования и визуализации и т.д. Выбор зависит от целей, задач и этапа урока (объяснение, закрепление, повторение материала, проверка знаний и др.).

Обучая детей физике, мы наблюдаем понижение интереса к предмету, а вместе с этим понижение уровня знаний. Эту проблему я объяснила недостаточностью наглядного материала, отсутствием оборудования, сложностью самого предмета. Возникшие проблемы связаны и с бурно и непрерывно растущим объемом человеческих знаний. В условиях, когда каждые несколько лет объем информации удваивается, классический учебник и преподаватель неизбежно становятся поставщиками устаревших знаний. Но также я отметила и то, что число детей, умеющих пользоваться компьютером, стремительно растет, и эта тенденция будет ускоряться независимо от парадигмы школьного образования. Для меня встал вопрос, а почему бы не использовать новые педагогические возможности компьютера как средства обучения.

Компьютер для обучающихся – как источник получения новой информации и как инструмент интеллектуальной и в целом – познавательной деятельности. Работа на компьютере может (и должна) развивать также такие личностные качества, как рефлексивность, критичность к информации, ответственность, способность к принятию самостоятельных решений, наконец, толерантность и креативность, коммуникативные умения.

Компьютер для учителя – современное средство решения дидактических задач организации новых форм развивающего обучения.

Отметим общее значение компьютеров в образовательном процессе . Они:

Вписываются в рамки традиционного обучения.

Используются с успехом на различных по содержанию и организации учебных и внеклассных занятиях.

Способствуют активному включению обучаемого в учебно-воспитательный процесс, поддерживают интерес.

Дидактические особенности компьютера:

Информационная насыщенность.

Возможность преодолевать существующие временные и пространственные границы.

Возможность глубокого проникновения в сущность изучаемых явлений и процессов.

Показ изучаемых явлений в развитии, динамике.

Реальность отображения действительности.

Выразительность, богатство выразительных приемов, эмоциональная насыщенность.

Такое богатство возможностей компьютера позволяет внимательнее отнестись к изучению его в роли нового дидактического средства.

При проведении уроков физики могут применяться следующие виды ИКТ:

мультимедиа презентации,

видеоролики и видеофрагменты,

анимации, моделирующие физические процессы,

электронные учебники,

обучающие программы,

программы-тренажеры (для подготовки к ЕГЭ),

работа с интернет-сайтами

физическая лаборатория L-micro.

При проведении уроков самой распространенной формой применения ИКТ является мультимедиа презентация. Этот вид сопровождения урока позволяет акцентировать внимание на самых главных элементах изучаемого материала, включить анимации и видеофрагменты. Кроме того мультимедиа-презентации применяются обучающимися, при выступлении с докладами и сообщениями или при защите исследовательских работ. При подготовке презентации к уроку необходимо учитывать следующие особенности:

презентация должна быть наглядная, слайд не должен содержать много текста, текст должен быть крупным и удобночитаемым;

презентация должна быть иллюстрирована: содержать рисунки, фотографии, схемы;

количество слайдов должно быть ограничено (15-20 слайдов);

презентация не должна вызывать неприятных ощущений, вызванных динамическим воспроизведением и сменой кадров, или цветового дискомфорта;

самая важная информация должна быть размещена на первых и последних слайдах.

При создании презентации следует помнить, что она является сопровождением выступления, доклада, или урока, а не заменяет его. Нередко обучающиеся при выполнении презентаций пытаются разместить в ней всю информацию, роль учителя в данной ситуации заключается в том, чтобы корректировать содержание презентации и ее восприятие. Это является наиболее актуальным при защите проектов, конкурсных и исследовательских работ. Во всех конкурсах при оценивании работы учитывается наглядность, которая в большинстве своем представляет мультимедиа презентацию.

Другим видом ИКТ применяемым при обучении физике является использование электронных пособий. Электронные учебники и обучающие программы целесообразнее использовать при выполнении домашних работ и самостоятельной работе обучающихся, как и при работе с любой учебной литературой, в этом случае необходимо тщательно продумать и конкретизировать задания для обучающихся.

Программы-тренажеры выступают как самостоятельный продукт, который позволяет отработать изученный материал, выявить проблемы, с которыми учащиеся сталкиваются при изучении теоретического материала.

Особую роль онлайн-тесты играют в подготовке к государственной итоговой аттестации. Ученик видит результат практически сразу и реально оценивает свои возможности.

Важным элементом применения ИКТ в преподавании физики является работа с интерактивными моделями, которые представлены в таких продуктах как «Живая физика», «Открытая физика». Практически все модели позволяют показывать опыты при объяснении нового материала. Работа с такого рода программами позволяет заглянуть вглубь явления, рассмотреть процессы, которые невозможно наблюдать в «живом» эксперименте. При использовании моделей для демонстраций можно в качестве помощника привлечь кого-нибудь из обучающихся, так как работать за компьютером и одновременно давать необходимые пояснения классу достаточно сложно. Кроме того, самостоятельная работа обучающихся с этими программами способствует развитию познавательной активности.

Особый интерес вызывает у обучающихся проведение на уроках физики виртуальных лабораторных работ. Обучающиеся могут ставить необходимые компьютерные эксперименты для проверки собственных соображений при ответе на вопросы или решении задач. Разумеется, компьютерная лаборатория не может заменить настоящую физическую лабораторию. Тем не менее, выполнение компьютерных лабораторных работ требует определенных навыков, характерных и для реального эксперимента - выбор начальных условий, установка параметров опыта и т. д.

Одну из ключевых ролей в преподавании физики играет физическая лаборатория L-micro. Применение компьютера как измерительного инструмента позволяет расширить границы школьного физического эксперимента и проводить физические исследования.

При подготовке к урокам физики необходимо помнить о стремительном развитии науки и техники. Владея новой информацией о достижениях современной физики в той или иной области, учитель не только подчеркивает актуальность и необходимость изучения физики в школе, но и развивает познавательную активность школьника. При этом целесообразно поручить обучающимся поиск информации о современных достижениях в данной области физики. Как правило, школьники творчески подходят к процессу поиска и нередко, увлекаясь сбором информации, увлекаются и самой проблемой, что может перерасти в самостоятельное исследование. Однако следует обратить внимание школьников на поиск достоверных источников информации. Одним из таких Интерент-источников является популярный сайт о фундаментальной науке elementy.ru.

Интернет-сайт может быть не только источником информации, но и самостоятельным обучающим продуктом. Так сайт elementy.ru, кроме информационных разделов содержит и интерактивные плакаты, при работе с которыми учащиеся имеют возможность не только увидеть схемы сложнейших технических устройств, но и «заглянуть» вовнутрь, изменять условия работы и изучить теоретические основы процессов. Работа с такими плакатами позволяет показать практическую значимость изучаемых на уроках физики законов.

Включая в процесс обучения физике элементы ИКТ, учитель не только развивает познавательную активность обучающихся, но и самосовершенствуется. Для активного применения ИКТ на уроках учителю необходимо овладеть определенными умениями:

обрабатывать текстовую, цифровую, графическую и звуковую информацию при помощи соответствующих редакторов для подготовки дидактических материалов;

создавать слайды по данному учебному материалу, используя редактор презентаций (MS PowerPoint), продемонстрировать презентацию на уроке;

использовать имеющиеся готовые программные продукты по своей дисциплине;

организовать работу с электронным учебником на уроке;

осуществлять поиск информации в сети Интернет в процессе подготовки к урокам и внеклассным мероприятиям;

организовывать работу с обучающимися по поиску необходимой информации в глобальной сети непосредственно на уроке;

работать на уроке с материалами Web-сайтов.

В заключении отмечу, что в современных условиях возникает педагогическая задача противостоять чрезмерному внедрению ИКТ в процесс преподавания физики, чтобы красочными иллюстрациями и моделями не затмить истинный экспериментальный характер физической науки, не забыть «живой» эксперимент.

Соленоидальное векторное поле

Определение

Векторное поле называется соленоидальным или вихревым , если через любую замкнутую поверхность S его поток равен нулю:

∫ S a → ⋅ d s → = 0 {\displaystyle \int \limits _{S}{\vec {a}}\cdot {\vec {ds}}=0} .

Если это условие выполняется для любых замкнутых S в некоторой области (по умолчанию - всюду), то это условие равносильно тому, что равна нулю дивергенция векторного поля a → {\displaystyle {\vec {a}}} :

D i v a → ≡ ∇ ⋅ a → = 0 {\displaystyle \mathrm {div} \,{\vec {a}}\equiv \nabla \cdot {\vec {a}}=0}

всюду на этой области (подразумевается, что дивергенция всюду на этой области существует). Поэтому соленоидальные поля называют также бездивергентными .

Для широкого класса областей это условие выполняется тогда и только тогда, когда a → {\displaystyle {\vec {a}}} имеет векторный потенциал, то есть существует некое такое векторное поле A → {\displaystyle {\vec {A}}} (векторный потенциал), что a → {\displaystyle {\vec {a}}} может быть выражено как его ротор:

A → = ∇ × A → ≡ r o t A → . {\displaystyle {\vec {a}}=\nabla \times {\vec {A}}\equiv \mathrm {rot} \,{\vec {A}}.}

Иначе говоря, поле является вихревым, если оно не имеет источников. Силовые линии такого поля не имеют ни начала, ни конца, и являются замкнутыми. Вихревое поле порождается не покоящимися зарядами (источниками), а изменением связанного с ним поля (например, для электрического поля порождается изменением магнитного). Поскольку в природе не существует магнитных зарядов, то магнитное поле всегда является вихревым, и его силовые линии всегда замкнуты. Силовые линии постоянного магнита, несмотря на то, что выходят из его полюсов (словно имеют источники внутри), на самом деле замыкаются внутри магнита. Поэтому, разрезав магнит надвое, не удастся получить два отдельных магнитных полюса.

Примеры

• Поле вектора магнитной индукции (следует из уравнений Максвелла, а конкретнее - из теоремы Гаусса для магнитного поля).
• Поле скорости несжимаемой жидкости (следует из уравнения неразрывности при ∂ ρ / ∂ t = 0 {\displaystyle \partial \rho /\partial t=0}).
• Электрическое поле в областях, где отсутствуют источники (заряды). Для соленоидальности поля E необходимо отсутствие (или взаимная компенсация) свободных и связанных зарядов. Для соленоидальности D достаточно отсутствия только свободных зарядов.
• Поле вектора плотности тока соленоидально при отсутствии изменения плотности заряда со временем (тогда соленоидальность плотности тока следует из уравнения непрерывности).

Этимология

Слово соленоидальное происходит от греческого соленоид (σωληνοειδές, sōlēnoeidēs), означающее «трубообразно» или «как в трубе», содержащего слово σωλην (Solen) - труба . В данном контексте это означает фиксацию объема для модели текущей жидкости, отсутствие источников и стоков (как при течении в трубе, где новая жидкость не появляется и не пропадает).

Описание установки

В данной работе используются следующие приборы (см. рис.13.1, б и 13.2, а ): неоновая лампа N ; источник питания U 0 ; вольтметр V ; амперметр А ; осциллограф, служащий для наблюдения формы релаксационных колебаний и измерения параметpoв сигнала.

Задание

1. Собрать схему согласно рис.13.1, в . МеняяU 0 , снять прямую и обратную ветви ВАХ неоновой лампы. Определить U з и U г. Оценить R i горящей лампы по двум экспериментальным точкам.

2. Собрать схему согласно рис.13.2, а . Получить на экране осциллографа устойчивую картину релаксационных колебаний и зарисовать ее в рабочий журнал.

3. Измерить с помощью осциллографа амплитуду колебаний.

4. Исследовать зависимости периода колебаний Т от параметров схемы:

а) снять зависимость T от R при фиксированных U 0 = U 01 и C = C 1 ;

б) снять зависимость T от C при фиксированных U 0 = U 01 и R = R 1 .

5. Использовать собранный релаксационный генератор в качестве генератора развертки, для чего перевести осциллограф в двухканальный режим работы «X – Y » и подать на второй канал синусоидальный сигнал с генератора ГСК. Подобрав частоту синусоидального сигнала ГСК, получить устойчивую картину на экране осциллографа и зарисовать ее в лабораторном журнале. Отключив релаксационный генератор, тот же сигнал ГСК подать на первый канал осциллографа и, включив генератор развертки, получить устойчивую картину развертки сигнала на экране, зарисовать ее в лабораторном журнале. Объяснить ка­чественное различие картинок.

6. Построить график ВАХ неоновой лампы. По графику определить внутреннее сопротивление горящей неоновой лампы R i = = dU /dI для U , несколько меньших чемU з.

7. Построить графики зависимости T = T (R ),T = T (C ). На этих же графиках построить теоретические зависимости, используя формулу (13.2).

Контрольные вопросы

1. Что такое релаксационные колебания?

2. Расскажите об особенностях вольтамперной характерис­тики неоновой лампы.

3. Что такое внутреннее сопротивление лампы и как его найти по вольтамперной характеристике?

4. Выведите формулу (13.1).

5. Объясните принцип действия релаксационного генератора, изображенного на рис.13.2, а .

6. Какую форму имеют релаксационные колебания в данной работе?

7. Каким должно быть соотношение между сопротивлением и внутренним сопротивлением горящей и негорящей неоновой лампы, чтобы период колебаний определялся формулой (13.2)?

8. Каким способом можно менять период колебаний?

9. Каким образом можно изменить амплитуду колебаний?

10. Из каких соображений выбирается U в генераторе?

11. Какую форму колебаний имеет генератор развертки в осциллографе? Можно ли в качестве генератора развертки использовать релаксационный генератор? Как искажается при этом форма исследуемого сигнала и почему?

Р а б о т а 14 вихревое электрическое поле

Цель: изучение свойств вихревого электрического поля.

Введение

Из уравнений Максвелла следует, что изменяющееся со временем магнитное поле порождает электрическое. Соответствующее уравнение записывается в виде

, (14.1)

где E - вектор напряженности электрического поля, B - вектор магнитной индукция. Это же уравнение в интегральном виде применительно к соленоиду с использованием цилиндрической системы координат выглядит так:

, (14.2)

где - окружная компонента напряженности электрического поля;

- осевая компонента магнитной индукции, а интегралы берутся по замкнутому контуруl и по поверхности S , опирающейся на этот контур.

В работе используется вихревое электрическое поле соленоида, по которому течет переменный электрический ток. Измерения вихревого электрического поля производятся в перпендикулярном к оси соленоида сечении, проходящем через его середину. Длина соленоида существенно больше его диаметра, поэтому в первом приближении можно считать, что мы имеем дело с бесконечно длинным соленоидом.

Известно, что магнитное поле внутри бесконечного соленоида однородно и его магнитная индукция определяется по формуле:

, (14.3)

где  - относительная магнитная проницаемость вещества (для воздуха  = 1,0000004);  0 = 1,26 · 10–6 Гн/м - магнитная постоянная; n - число витков соленоида, приходящихся на единицу его длины, I - сила тока в соленоиде (рассматривается квазистационарный ток). Вне соленоида магнитная индукция пренебрежимо мала.

Уравнение (14.2) существенно упрощается, если в качестве поверхности S взять круг радиусом r , центр которого находится на оси соленоида и плоскость перпендикулярна к этой оси. В этом случае L -это окружность радиусом r . Так как величина B z /t однородна внутри бесконечного соленоида и практически равна нулю вне его, то правый интеграл равен:

где R - радиус соленоида.

Интеграл в левой части уравнения (14.2) в силу осевой симметрии задачи равен E   2r . В результате после несложных преобразований получим для модуля напряженности вихревого электрического поля следующее выражение:

(14.4)

Поскольку B z /t не зависит от r , то напряженность вихревого электрического поля пропорциональна расстоянию r от оси соленоида при r < R и обратно пропорциональна r при r  R .

В случае, когда ток соленоида меняется по синусоидаль­ному закону

Физика определение

Вихревое электрическое поле - это

Ксюлёнок хавелева

ВИХРЕВОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ

Причина возникновения электрического тока в неподвижном проводнике - электрическое поле.
Всякое изменение магнитного поля порождает индукционное электрическое поле независимо от наличия или отсутствия замкнутого контура,
при этом если проводник разомкнут, то на его концах возникает разность потенциалов;
если проводник замкнут, то в нем наблюдается индукционный ток. Индукционное электрическое поле является вихревым.
Направление силовых линий вихревого эл. поля совпадает с направлением индукционного тока
Индукционное электрическое поле имеет совершенно другие свойства в отличии
от электростатического поля.

Использование вихревых токов: нагрев и плавка металлов в вакууме;
демпферы в электроизмерительных приборах.

Вредное действие вихревых токов: потери энергии в сердечниках трансформаторов и генераторов
из-за выделения большого количества тепла.

Через контур может происходить: 1) в случае неподвижного проводящего контура, помещенного в изменяющееся во времени поле; 2) в случае проводника, движущегося в магнитном поло, которое может и не меняться со временем. Значение ЭДС индукции в обоих случаях определяется законом (2.1), по происхождение этой ЭДС различно.

Рассмотрим сначала первый случай возникновения индукционного тока. Поместим круговой проволочный виток радиусом r в переменное во времени однородное магнитное поле (рис. 2.8). Пусть индукция магнитного поля увеличивается, тогда будет увеличиваться со временем и магнитный поток через поверхность, ограниченную витком. Согласно закону электромагнитной индукции в витке появится индукционный ток. При изменении индукции магнитного поля по линейному закону индукционный ток будет постоянен.

Какие же силы заставляют заряды в витке двигаться? Само магнитное поле, пронизывающее катушку, этого сделать не может, так как магнитное поле действует исключительно на движущиеся заряды (этим-то оно и отличается от электрического), а проводник с находящимися в нем электронами неподвижен.

Кроме магнитного поля, на заряды, причем как на движущиеся, так и на неподвижные, действует еще электрическое поле. Но ведь те поля, о которых пока шла речь (электростатичсское или стационарное), создаются электрическими зарядами, а индукционный ток появляется в результате действия меняющегося магнитного поля. Поэтому можно предположить, что электроны в неподвижном проводнике приводятся в движение электрическим полем, и это поле непосредственно порождается меняющимся магнитным полем. Тем самым утверждается новое фундаментальное свойство поля: изменяясь во времени, магнитное поле порождает электрическое поле . К этому выводу впервые пришел Дж. Максвелл.

Теперь явление электромагнитной индукции предстает перед нами в новом свете. Главное в нем - это процесс порождения полем магнитным поля электрического. При этом наличие проводящего контура, например катушки, не меняет существа процесса. Проводник с запасом свободных электронов (или других частиц) играет роль прибора: он лишь позволяет обнаружить возникающее электрическое поле.

Поле приводит в движение электроны и проводнике и тем самым обнаруживает себя. Сущность явления электромагнитной индукции и неподвижном проводнике состоит не столько в появлении индукционного тока, сколько в возникновении электрического поля, которое приводит в движение электрические заряды.

Электрическое поле, возникающее при изменении магнитного поля, имеет совсем другую природу, 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, подобныe линиям индукции магнитного поля. Это так называемое вихревое электрическое поле (рис. 2.9).

Чем быстрее меняется магнитная индукция, тем болыпе напряженность электрического поля. Согласно правилу Ленца при возрастании магнитной индукции направление вектора напряженности электрического поля образует левый винт с направлением вектора . Это означает, что при вращении винта с левой нарезкой в направлении линий напряженности электрического поля поступательное перемещение винта совпадает с направлением вектора магнитной индукции. Напротив, при убывании магнитной индукции направление вектора напряженности образует правый винт с направлением вектора .

Направление силовых линий напряженности совпадает с направлением индукционного тока. Сила, действующая со стороны вихревого электрического поля на заряд q (сторонняя сила), по-прежнему равна = q. Но в отличие от случая стационарного электрического поля работа вихревого поля по перемещению заряда q 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. Работа вихревого электрического поля при перемещении единичного положительного заряда вдоль замкнутого неподвижного проводника численно равна ЭДС индукции в этом проводнике.

Индукционные токи в массивных проводниках. Особенно большого числового значения индукционные токи достигают в массивных проводниках, из-за того, что их сопротивление мало.

Такие токи, называемые токами Фуко по имени исследовавшего их французского физика, можно использовать для нагревания проводников. На этом принципе основано устройство индукционных печей, например используемых в быту СВЧ-печей. Также этот принцип используется для плавки металлов. Кроме этого явление э.пектромагнит-ной индукции используется в детекторах металла, устанавливаемых при входах в здания аэровокзалов, театров и т. д.

Однако во многих устройствах возникновение токов Фуко приводит к бесполезным и даже нежелательным потерям энергии на выделение тепла. Поэтому железные сердечники трансформаторов, электродвигателей, генераторов и т. д. делают не сплошными, а состоящими из отдельных пластин, изолированных друг от друга. Поверхности пластин должны быть перпендикулярны направлению вектора напряженности вихревого электрического поля. Сопротивление электрическому току пластин будет при этом максимальным, а выделение тепла - минимальным.

Применение ферритов. Радиоэлектронная аппаратура работает в области очень высоких частот (миллионы колебаний в секунду). Здесь применение сердечников катушек из отдельных пластин уже не дает нужного эффекта, так как большие токи Фуко возникают в каледой пластине.

В § 7 отмечалось, что существуют магнитные изоляторы - ферриты. При перемагничивании в ферритах не возникают вихревые токи. В результате потери энергии на выделение в них тепла сводятся к минимуму. Поэтому из ферритов делают сердечники высокочастотных трансформаторов, магнитные антенны транзисторов и др. Ферритовые сердечники изготовляют из смеси порошков исходных веществ. Смесь прессуется и подвергается значительной термической обработке.

При быстром изменении магнитного поля в обычном ферромагнетике возникают индукционные токи, магнитное поле которых, в соответствии с правилом Ленца , препятствует изменению магнитного потока в сердечнике катушки. Из-за этого поток магнитной индукции практически не меняется и сердечник не перемагничивается. В ферритах вихревые токи очень малы, поэтому их можно быстро перемагничивать.

Наряду с потенциальным кулоновским электрическим полем существует вихревое электрическое поле. Линии напряженности этого поля замкнуты. Вихревое поле порождается меняющимся магнитным полем.

1. Какова природа сторонних сил, вызывающих появление индукционного тока в неподвижном проводнике!
2. В чем отличие вихревого электрического поля от электростатического или стационарного!
3. Что такое токи Фуко!
4. В чем преимущества ферритов по сравнению с обычными ферромагнетиками!

Мякишев Г. Я., Физика . 11 класс: учеб. для общеобразоват. учреждений: базовый и профил. уровни / Г. Я. Мякишев, Б. В. Буховцев, В. М. Чаругин; под ред. В. И. Николаева, Н. А. Парфентьевой. - 17-е изд., перераб. и доп. - М. : Просвещение, 2008. - 399 с: ил.

Библиотека с учебниками и книгами на скачку бесплатно онлайн , Физика и астрономия для 11 класса скачать , школьная программа по физике, планы конспектов уроков

Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные уроки

Переменное магнитное поле порождает инду­цированное электрическое поле . Если магнитное поле постоянно, то индуциро­ванного электрического поля не возникнет. Следовательно, индуцированное электрическое поле не связано с зарядами , как это имеет место в случае элект­ростатического поля; его силовые линии не начинаются и не заканчиваются на зарядах, а замкнуты сами на себя , подобно силовым линиям магнитного поля. Это означает, что индуцированное электрическое поле , подобно магнитному, является вихревым.

Если неподвижный проводник поместить в переменное магнитное поле, то в нем индуцируется э. д. с. Электроны приводятся в направленное движение электрическим полем, индуцированным переменным магнитном полем; возни­кает индуцированный электрический ток. В этом случае проводник является лишь индикатором индуцированного электрического поля. Поле приводит в движение свободные электроны в проводнике и тем самым обнаруживает себя. Теперь можно утверждать, что и без проводника это поле существует, обладая запасом энергии.

Сущность явления электромагнитной индукции заключается не столько в появлении индуцированного тока, сколько в возникновении вихревого электрического поля.

Это фундаментальное положение электродинамики установлено Максвел­лом как обобщение закона электромагнитной индукции Фарадея.

В отличие от электростатического поля индуцированное электрическое поле является непотенциальным, так как работа, совершаемая в индуцированном электрическом поле, при перемещении единичного положительного заряда по замкнутому контуру равна э. д. с. индукции, а не нулю.

Направление вектора напряженности вихревого электрического поля уста­навливается в соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея и правилом Ленца. Направление силовых линий вихревого эл. поля совпадает с направлением индукционного тока.

Так как вихревое электрическое поле существует и в отсутствие проводника, то его можно применять для ускорения заряженных частиц до скоростей, со­измеримых со скоростью света. Именно на использовании этого принципа основано действие ускорителей электронов - бетатронов.

Индукционное электрическое поле имеет совершенно другие свойства в отличии от электростатического поля.

Отличие вихревого электрического поля от электростатического

1) Оно не связано с электрическими зарядами;
2) Силовые линии этого поля всегда замкнуты;
3) Работа сил вихревого поля по перемещению зарядов на замкнутой траектории не равна нулю.

электростатическое поле	индукционное электрическое поле (вихревое электр. поле)
1. создается неподвижными электр. зарядами	1. вызывается изменениями магнитного поля
2. силовые линии поля разомкнуты - потенциальное поле	2. силовые линии замкнуты - вихревое поле
3. источниками поля являются электр. заряды	3. источники поля указать нельзя
4. работа сил поля по перемещению пробного заряда по замкнутому пути = 0.	4. работа сил поля по перемещению пробного заряда по замкнутому пути = ЭДС индукции