Енергія магнітного поля
1-й семестр
ЕЛЕКТРОДИНАМІКА
3. Електромагнітне поле
УРОК 10/37
Тема. Енергія магнітного поля
Мета уроку: вивести формулу для розрахунку енергії магнітного поля струму й роз’яснити учням фізичний зміст цієї формули.
Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.
ПЛАН УРОКУ
Контроль знань | 4 хв. | 1. Явище самоіндукції. 2. ЕРС самоіндукції. 3. Індуктивність. |
Демонстрації | 3 хв. | Енергія магнітного поля котушки зі струмом. |
Вивчення | 26 хв. | 1. Чи можна стверджувати, що магнітне поле має енергію? 2. Обчислення енергії магнітного поля. |
Закріплення вивченого матеріалу | 12 хв. | 1. Якісні питання. 2. Навчаємося розв’язувати задачі. |
ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ
1. Чи можна стверджувати, що магнітне поле має енергію?
Розглянемо явище самоіндукції в контурі з лампочкою з погляду закону збереження енергії. Звідки береться енергія, за рахунок якої протягом деякого часу після відключення джерела живлення підтримується електричний струм у контурі?
Таким чином, описане вище явище самоіндукції наочно показує, що магнітне поле має запас енергії. Ця енергія витрачається на створення магнітного поля, тож у разі зникнення поля її можна одержати назад.
2. Обчислення енергії магнітного поля
Відразу ж після замикання кола, коли струм починає зростати, у провіднику з’являється вихрове електричне поле, що протидіє електричному полю джерела живлення. Джерело виконує додаткову роботу проти сил вихрового поля. Відповідно до закону збереження енергії? WМ – енергія, що накопичує магнітне поле за незначний інтервал часу? t, – дорівнює додатковій роботі, яку виконує джерело для створення струму:
Де ACT – робота вихрового поля, що дорівнює за модулем й протилежна за знаком додатковій роботі джерела живлення за інтервал часу? t; Iінд – середня сила струму в провіднику за інтервал часу? t.
Оскільки 
одержуємо 
Щоб знайти повну енергію WМ, магнітного поля, звернімося до графіка залежності LI(І).
Енергія? WМ чисельно дорівнює площі ділянки abcd зі сторонами LIінд й? I (?I – зміна сили струму за інтервал часу? t). Повна енергія WM, яку накопичує магнітне поле за час зростання сили струму від 0 до I, чисельно дорівнює площі трикутника OBC зі сторонами I та LI.
Повна енергія магнітного поля прямо пропорційна квадрату сили струму в провіднику:
Необхідно звернути увагу на аналогію індуктивності й маси в механіку. Так, що більша (за інших рівних умов) індуктивність L, то наростання струму I повільніше. А що більша (за інших рівних умов) маса m, то повільніше наростання швидкості 
.
Часткова подібність між процесом установлення струму в котушці індуктивності й розгоном автомобіля дозволяє припустити, що величини роботи з розгону автомобіля й зі встановлення струму виражаються аналогічними співвідношеннями.
Механічна робота з розгону автомобіля дорівнює 
Цю величину можна взяти як модель для встановлення сили струму в котушці індуктивності. Співвідношення між I і , L і m дозволяє перетворити 
ПИТАННЯ ДО УЧНІВ У ХОДІ ВИКЛАДУ НОВОГО МАТЕРІАЛУ
Перший рівень
1. Чому для створення струму в колі джерело повинне затратити енергію?
2. Електромагніт вмикають у коло постійного струму. Чому максимальна сила струму в колі встановлюється не відразу?
Другий рівень
1. Замкнули коло, що містить джерело сталої ЕРС. На що витрачається енергія джерела до й після встановлення постійної сили струму?
2. Чому після підвищення індуктивності струм у контурі наростає набагато повільніше за інших рівних умов?
ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ
1). Якісні питання
1. У колі, зображеному на рисунку, обидві лампочки світять однаково яскраво. Чи одночасно згаснуть ці лампи після розмикання ключа?
2. Котушку приєднали до джерела постійного струму. Які фізичні величини залежать від індуктивності цієї котушки: а) час збільшення сили струму після замикання ключа; б) енергія магнітного поля котушки; в) потужність постійного струму в колі?
2). Навчаємося розв’язувати задачі
1. По котушці тече струм 10 А. За якої індуктивності котушки енергія її магнітного поля дорівнюватиме 6 Дж?
2. Енергія магнітного поля котушки індуктивністю 0,5 Гн дорівнює 0,25 Дж. Яка сила струму в котушці?
3. У разі зміни сили струму в котушці, індуктивність якої 0,11 Гн, в 5,13 рази енергія магнітного поля змінилася на 16,2 Дж. Знайдіть початкові значення енергії й сили струму.
ЩО МИ ДІЗНАЛИСЯ НА УРОЦІ
– Енергія магнітного поля струму в контурі з індуктивністю L дорівнює 
де I – сила струму в контурі.
Домашнє завдання
1. Підр-1: § 23 (п. 3); підр-2: § 13 (п. 3).
2. Зб.:
Рів1 № 8.7; 8.25; 8.26; 8.27.
Рів2 № 8.50; 8.51; 8.52; 8.54.
Рів3 № 8.67, 8.68; 8.71; 8.73.
3. Д: підготуватися до самостійної роботи № 6.
ЗАВДАННЯ ІЗ САМОСТІЙНОЇ РОБОТИ № 6 “ЯВИЩЕ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОЇ ІНДУКЦІЇ. ЕНЕРГІЯ МАГНІТНОГО ПОЛЯ”
Завдання 1 (1,5 бала)
Укажіть, у якому із зазначених випадків спостерігається явище електромагнітної індукції.
А Під час дугового розряді між вугільними електродами.
Б Під час електричного розряду блискавки.
В Під час уведення смугового магніту в замкнуту котушку.
Г Під час протікання електричного струму через нитку розжарення лампочки.
Завдання 2 (2,5 бала)
Коли магніт падає в короткозамкнену дротову котушку (див. рисунок), у котушці виникає індукційний струм.
А Лінії магнітної індукції поля магніту входять у його північний полюс.
Б Індукційний струм напрямлений у котушці проти годинникової стрілки (якщо дивитися згори).
В Магніт і котушка відштовхуються одне від одного.
Г Усередині котушки магнітне поле індукційного струму напрямлено нагору.
Завдання 3 (3 бали)
Завдання 3 має на меті встановити відповідність (логічну пару). До кожного рядка, позначеного літерою, підберіть твердження, позначене цифрою.
А Індуктивність.
Б Явище самоіндукції.
В Енергія магнітного поля.
Г Вихрове електричне поле.
1 Поле, породжуване нерухомими в цій системі відліку зарядами.
2 У котушці, по витках якої протікає струм, є запас енергії, що чисельно дорівнює
3 Якість провідного контуру, обумовлене відношенням зміни магнітного потоку, що пронизує контур, до зміни сили струму в ньому.
4 Виникнення ЕРС індукції в контурі у разі зміні сили струму в цьому ж контурі.
5 Поле, породжуване змінним магнітним полем.
Завдання 4 (5 балів)
Енергія магнітного поля котушки індуктивністю 0,5 Гн дорівнює 0,25 Дж. Яка сила струму в котушці?
