Формирование понятия «индуктивность» в курсе физики

Для формирования понятий «индукции» в курсе общей физики и явления самоиндукций при замыкании и размыкании цепи обычно ставят известный опыт с параллельно соединённой цепью, в одну из ветвей которой входит катушка индуктивности и лампа  (рис.1). Недостаток этого традиционного опыта в том, что здесь ничего не известно о направлении тока при самоиндукции [1, 2]. Кроме того, учителю бывает трудно подобрать сопротивление R.

Рис. 1.

Мы предлагаем демонстрировать явление самоиндукции с помощью полупроводникового диода. Для демонстрации данного опыта необходимо следующее оборудование: 1) выпрямитель ВС–4–12–1 шт; 2) диод Д7Ж на подставке –1 шт; 3) лампочка для карманного фонаря на подставке–2 шт; 4) дроссельная катушка с сердечником от универсального трансформатора–1 шт; 5) ключ – 1 шт; 6) соединительные провода [4].

Схему электрической цепи чертят на доске (рис.2) и по ней собирают установку. В качестве катушки индуктивности используется дроссельная катушка на 3600 витков.

Далее выпрямитель ВС–4–12 устанавливают на напряжение 6 V. Диод «Д» по отношению к лампочке  устанавливают в запирающем направлении. Затем предлагаем обучающимся обратить внимание на лампочки и  при замыкании и размыкании цепи.

При замыкании цепи ключем «К» лампочка  несколько позже загорается (рис.2), а лампочка  в цепи диода не горит. После этого обращают внимание на лампочку Л₂ (рис.3) и размыкают цепь. Обучающиеся наблюдают, что лампочка  быстро газнет, а лампочка  вспыхивает [4].

Наблюдаемый опыт можно объяснить следующим образом. При замыкании ключа «К» в цепи сила тока нарастает от нуля до  не сразу достигает предельного , а постепенно, с течением  времени. При этом возрастает также магнитный поток, пронизывающий контур цепи. Возникает ЭДС индукции и соответствующий ей индукционный ток. Это ток называется экстратоком замыкания. Согласно правила Ленца направление экстратока замыкания противоположно направлению основного тока. Соответствующее этому току напряжение усиливает электрическое поле электроно–дырочного перехода. В итоге сопротивление диода «Д» увеличивается, поэтому лампочка Л₂ не горит [4].

Рис. 2.

Рис. 3

При размыкании ключа «К» в цепи ток уменьшается от  до нуля. Первоначальный ток, существовавший в катушке самоиндукции, обладает определённым запасом магнитной энергии, которая исчезает не сразу. Магнитное поле начнёт убывать. Это возбудит электродвижущую силу и индукционный ток в цепи. Такой ток называется экстратоком размыкания. Магнитное поле, созданное током в цепи, уменьшается. По правилам Ленца вихревое электрическое поле препятствует этому уменьшению и способствует протеканию тока в направлении, указанном на схеме (рис.3) пунктиром. В том случае вихревое электрическое поле направленно так, что ослаблается поле, электронно–дырочного перехода, уменьшается сопротивление полупроводникового диода, поэтому лампочка  и вспыхивает

В результате опыта обучающиехся делают вывод: в обоих случаях возникающее вихревое поле препятствует изменению магнитного потока. В первом случае индукционный ток направлен противоположно току от источника тока, а во втором–направление этих токов совпадает [5].

Далее учитель с помощью графика (рис.4) делает вывод о том, что при замыкании электрической цепи ток не сразу принимает значение , а несколько задерживается на , затем при размыкании цепи ток не исчезает сразу и несколько задерживается на  это показывает лампочка . Наблюдается воздействие э. д.с. индукции.

Обучающихеся убеждаются в том, что изменяющееся магнитное поле индукцируется Э. Д. С. в той самой катушке, по которой течёт ток.

Напоминаем у обучающимся что такое ЭДС индукции и подчёрниваем, что её величина выражается формулой . Затем говорим, что поток магнитной индукции пропорционален силе тока, т. е.  записываем, что , где –коэффициент пропорциональности, получил название индуктивности.

Рис. 4

Если учитывать, что при замыкании и размыкании цепи изменяется магнитный поток, то ЭДС самоиндукции можно выразить так:

где  — скорость изменения силы тока.

Таким образом можно сделать вывод:

ЭДС самоиндукции прямопропорциональна скорости изменения силы тока в катушке. Учитывая ЭДС самоиндукции, индуктивность можно записать так:

В системе «СИ» единицей индуктивности является генри (Гн). Далее учитель сообщает: индуктивность катушки равна 1 Гн, если в ней при изменении силы тока на  за 1 сек. возникает ЭДС самоиндукции 1 V.

Используя данную установку, можно показать зависимость ЭДС самоиндукции катушки от числа витков наличия стального магнитопровода и от напряжения источника. Повторяем опыт: включаем установку с катушками на 1200 и 3600 витков. Обучающиеся замечают, что заметно уменьшается и увеличивается «задержка» тока. Затем собираем установку и размыкаем магнитопровод. Далее снимаем катушку с сердечника, и время свечения лампочки  заметно уменьшается.

Далее демонстрируется на этой установке зависимость наблюдаемого эффекта от напряжения источника, включая ВС–4–12 источника на 6, 8 и 10 V.

Преподаватель делает вывод о том, что индуктивность–это физическая величина, численно равная ЭДС самоиндукции 1 V, возникающей в цепи при изменении силы тока  за .

Литература:

1.      Савелев И. В. Курс обшей физики, т. 2.–М., Наука, 1998.–368

2.      Сивухин Д. В. Обшей курс физики, т. 3.–М., Наука, 1977.–668 с.

3.      Калашников С. Г. Электр.–Т., Наука, 1977.–615 с.

4.      Майсова В. В. Практикум по курсу обшей физики.–М., Наука, 1995.–512с.

5.      Детлаф A. A., Яворский Б. М. Курс физики.–М., Высшая школа, 2002.– 608с.