IV. Підсумок уроку.

Виставлення оцінок.

V. Повідомлення домашнього завдання.

§6. Впр.3(3,4).

Тема уроку.

Енергія магнітного поля струму.

Мета. Встановити кількісний вираз для енергії магнітного поля струму. Підтвердити взаємозв'язок між електричним і магнітним полями. Розширити знання учнів про явище електромагнітної індукції.

Обладнання: схеми, таблиці

Тип уроку: засвоєння нових знань.

ХІД УРОКУ

І. Актуалізація опорних знань.

Питання до класу:

Що таке явище електромагнітної індукції?
Що таке ЕРС?
Який напрям має збуджуваний у провіднику індукційний струм?
Як виникає індукційне електричне поле?
Що називається індукційним електричним полем?
Сформулюйте основний закон електромагнітної індукції.
Сформулюйте правило Ленца.
Як формулюється правило правої руки?
Як визначається магнітний потік?
Що називається індуктивністю провідника?
За якою формулою визначається ЕРС самоіндукції?
Що прийнято за одиницю індуктивності?

II. Виклад нового матеріалу.

Магнітне поле нерозривно зв'язане з електричним струмом: воно виникає, змінюється і зникає із зміною сили струму. Отже, при замиканні кола частина енергії джерела струму завжди витрачається на створення магнітного поля. Тому воно повинно мати енергію, що дорівнює роботі, витраченій струмом на його створення. Саме енергією магнітного поля пояснюється фізичний зміст явища електромагнітної індукції, зокрема самоіндукції. При замиканні кола з джерелом постійної ЕРС сила струму не відразу досягає максимального значення (яке визначається законом Ома), а певний час зростає, оскільки частина енергії джерела витрачається в цей час на створення магнітного поля. Досягнувши максимального значення, сила струму в колі не змінюватиметься. При цьому стає постійним і магнітне поле струму, а його енергія не змінюється. Джерело струму витрачає енергію лише на підтримання сталої сили струму, і ця частина енергії перетворюється у внутрішню енергію провідників, тобто витрачається на їх нагрівання. При розмиканні кола магнітне поле струму зникає, однак, згідно із законом збереження енергії, його енергія перетворюється в енергію струму самоіндукції, який підсилює струм, що вимикають.

Таким чином, явище електромагнітної індукції ґрунтується на взаємних перетвореннях енергій електричного струму і магнітного поля.

Електричний струм у провідниках одержують завдяки енергії сторонніх джерел ЕРС. При проходженні в замкненому провідному контурі постійного струму його енергія витрачається на виділення джоулевого тепла і на живлення споживачів, а магнітне поле навколо провідника не змінюється. Зі зміною струму змінюються магнітне поле і його потік індукції крізь поверхню, що охоплюється провідним контуром. Внаслідок цього в провіднику виникає ЕРС індукції, напрямлена за правилом Ленца завжди так, що протидіє змінам струму і магнітного потоку. При вмиканні джерела сторонніх ЕРС сила струму зростає від нуля до І. Відповідно змінюється магнітний потік і в контурі виникає ЕРС індукції, дія якої протилежна дії ЕРС джерела.

Щоб сила струму зростала, необхідно ЕРС індукції компенсувати енергією сторонніх ЕРС. Отже, у процесі зростання сили струму джерело сторонніх ЕРС виконує роботу проти ЕРС індукції. Ця робота йде на створення магнітного поля, енергія якого дорівнює роботі сторонніх ЕРС. За час dt при силі струму І буде виконана робота:

(1)

Зі зміною потоку dФ пов'язана зміна енергії магнітного поля

(2)

Оскільки

(3)

то

(4)

Інтегруючи (4) в межах від нуля до І, одержуємо:

(5)

Формула (5) визначає енергію магнітного поля замкненого провідного контуру зі струмом І та індуктивністю L.

Свідченням наявності енергії магнітного поля є виникнення екстраструмів розмикання. У цьому явищі ми маємо справу з перетворенням енергії магнітного поля провідника з індуктивністю L в енергію струму самоіндукції. Оскільки L залежить від магнітних властивостей середовища, де локалізоване магнітне поле, то й енергія магнітного поля також залежить як від сили і розподілу струмів, так і від властивостей навколишнього середовища. Енергія магнітного поля розподілена в усьому просторі, де локалізоване поле, і формула (5) визначає повну енергію магнітного поля струму. Однак часто важливо знати енергетичні характеристики в окремих областях чи навіть точках заданого магнітного поля. Для цього треба формулу для обчислення енергії виразити через вектори поля, які є локальними характеристиками його в кожній точці. Для спрощення розглянемо Окремий випадок магнітного поля нормального соленоїда зі струмом, розміщеного у вакуумі. Індуктивність соленоїда