Явление электромагнитной индукции

Как нам уже известно, электричество и магнетизм тесно связаны между собой. Если электрические заряды движутся, то непременно возникает магнитное поле. Мы характеризуем его с помощью вектора магнитной индукции $\vec B$ и магнитного потока $Ф$ (рисунок 1).

Логично предположить, что если электрические заряды создают магнитное поле, то и магнитное поле может каким-то образом привести к появлению электрического тока. Именно это предположение занимало умы многих ученых в начале XIX века, в том числе и английского физика Майкла Фарадея. В 1822 году он поставил перед собой задачу «превратить магнетизм в электричество» и спустя почти 10 лет упорной работы решил ее.

На данном уроке мы познакомимся с опытами Майкла Фарадея, в ходе которых пронаблюдаем возникновение индукционного тока и дадим определение явлению электромагнитной индукции.

Опыты Фарадея

Для опытов мы будем использовать уже хорошо знакомое нам оборудование: катушки, разнообразные магниты, источник тока, проволочный контур, гальванометр, ключ, провода, штатив и различные крепления (рисунок 2). 

Конечно, оборудование Фарадея было не таким современным, но суть опытов останется той же.

{"questions":[{"content":"Гальванометр — это чувствительный измерительный прибор, используемый для измерения [[fill_choice_big-35]] в электрической цепи.","widgets":{"fill_choice_big-35":{"type":"fill_choice_big","options":["малых значений силы тока","напряжения","мощности","сопротивления"],"answer":0}},"explanation":"Гальванометр способен регистрировать малые токи в цепи, на которые обычный лабораторный амперметр не отреагирует."}]}

Опыт № 1

Рассмотрим первый опыт. Подключим катушку к гальванометру (рисунок 3). В этой простой цепи у нас нет источника тока, электрические заряды в проводниках не движутся. Стрелка гальванометра не отклоняется от нулевого значения.

Теперь возьмем полосовой магнит и начнем его опускать внутрь катушки. Мы увидим, что стрелка гальванометра отклонилась (рисунок 4). Это означает, что в цепи появился индукционный ток.

Отличие электрического тока от индукционного электрического тока заключается только в причине его возникновения. Само слово «индукционный» указывает нам на то, что источником тока является магнитное поле, а точнее, — изменение магнитного потока, пронизывающего рассматриваемый контур (катушку).

Как только мы полностью опустим магнит в катушку, стрелка гальванометра вернется к нулевой отметке (рисунок 5). Тока в цепи нет.

Теперь будем извлекать магнит из катушки (рисунок 6). Гальванометр снова показывает наличие электрического тока в цепи. Но его стрелка на этот раз отклоняется в другую сторону. Это означает, что ток теперь протекает в противоположном направлении.

Убираем магнит, и ток в цепи исчезает. Получается, что ток в витках катушки существует только при движении магнита относительно катушки.

{"questions":[{"content":"Если стрелка гальванометра отклоняется в другую сторону, это означает, что ток в электрической цепи [[fill_choice_big-42]].","widgets":{"fill_choice_big-42":{"type":"fill_choice_big","options":["протекает в другую сторону","отсутствует","не изменился"],"answer":0}},"explanation":"Если стрелка гальванометра отклоняется в другую сторону после каких-либо изменений в электрической цепи, то ток теперь протекает в направлении, противоположном изначальному."}]}

Опыт № 2

Немного изменим первый опыт, чтобы удостовериться в полученных результатах. Закрепим полосовой магнит на штативе. Теперь он будет неподвижным, а катушку мы сможем надевать и снимать с него (рисунок 7).

На этот раз мы увидим, что индукционный ток возникает при движении катушки относительно магнита. Как только мы перестаем ее перемещать, ток в цепи исчезает.

{"questions":[{"content":"Индукционный ток возникает при изменении [[fill_choice_big-46]].","widgets":{"fill_choice_big-46":{"type":"fill_choice_big","options":["магнитного потока, пронизывающего рассматриваемый контур","полярности источника тока в замкнутой цепи","сопротивления в электрической цепи","температуры проводника"],"answer":0}}}]}

Опыт № 3

Теперь возьмем две катушки разного размера. Маленькую катушку подключим с помощью проводов к источнику тока, добавим в эту цепь ключ. Большую катушку подключим к гальванометру (рисунок 8).

Теперь вставим маленькую катушку в большую (рисунок 9). Замыкаем ключ. Мы увидим, что стрелка гальванометра отклонилась и тут же вернулась в изначальное положение. Далее размыкаем цепь с помощью ключа и снова наблюдаем кратковременное отклонение стрелки гальванометра.

Получается, что при замыкании и размыкании цепи с маленькой катушкой возникает индукционный ток в большой катушке.

Также мы можем получить индукционный ток в большой катушке, если будем двигать катушки относительно друг друга или изменять силу тока в маленькой катушке. Это говорит нам о том, что индукционный ток возникает в катушке, когда изменяется магнитный поток, пронизывающий ее. Когда магнитный поток становится постоянным, ток исчезает.

{"questions":[{"content":"Может ли возникнуть индукционный ток в замкнутом контуре, если магнитный поток, пронизывающий его, остается постоянным с течением времени?[[choice-50]]","widgets":{"choice-50":{"type":"choice","options":["Может","Не может"],"explanations":["","Индукционный ток возникает только при изменении магнитного потока."],"answer":[1]}}}]}

Опыт № 4

Рассмотрим еще один эксперимент. Подключим к гальванометру плоский контур из проводника и поместим его между полюсов дугообразного магнита (рисунок 10). Вращая контур, мы получаем индукционный ток в цепи. Перестаем вращать — ток исчезает.

Можно сделать и наоборот. Для этого нам понадобиться контур большего размера и маленький полосовой магнит. Если вращать магнит внутри контура (или рядом с ним), то мы снова увидим по показаниям гальванометра, что в цепи протекает индукционный ток (рисунок 11).

{"questions":[{"content":"Электрический ток в проводнике, порожденный изменением магнитного потока, пронизывающего площадь, ограниченную этим проводником, называется [[fill_choice_big-66]].","widgets":{"fill_choice_big-66":{"type":"fill_choice_big","options":["индукционным","магнитным","индуцированным","элементарным"],"answer":0}}}]}

Вывод

В каждом рассмотренном опыте индукционный ток возникал при изменении магнитного потока, пронизывающего охваченную проводником площадь.

На прошлом уроке мы говорили, что магнитный поток может изменяться в трех случаях:

• при изменении магнитной индукции поля;
• если меняется площадь контура;
• при изменении ориентации контура по отношению к линиям магнитной индукции.

Так, в опытах № 1, № 2 и № 3 у нас изменилась индукция магнитного поля. Поэтому изменялся и магнитный поток. Например в опыте № 1 катушка при движении магнита оказывалась в области поля то с большей магнитной индукцией, то с меньшей. Это происходило по причине того, что поле полосового магнита является неоднородным (рисунок 12). То же самое происходило и в опыте № 2.

В опыте № 3 магнитная индукция катушки A изменялась вследствие изменения силы тока в ее витках. Это происходило за счет замыкания и размыкания ключа. При замыкании сила тока резко увеличивалась — увеличивалась и магнитная индукция поля, создаваемого этой катушкой. При размыкании ключа, наоборот, происходило уменьшение магнитной индукции, а следовательно, и магнитного потока.

В опыте № 4 (в двух вариациях) магнитный поток изменился за счет изменения ориентации контура по отношению к линиям магнитной индукции. Это происходило при непрерывном вращении самого контура или магнита.

{"questions":[{"content":"Магнитное поле, создаваемое полосовым магнитом, является [[fill_choice_big-62]].","widgets":{"fill_choice_big-62":{"type":"fill_choice_big","options":["неоднородным","однородным"],"answer":0}},"explanation":"Магнитное поле внутри полосового магнита (как и внутри соленоида) можно считать однородным, но за его пределами поле таковым не является. Поэтому поле полосового магнита в целом будет неоднородным."}]}

Электромагнитная индукция

Явление электромагнитной индукции заключается в том, что при всяком изменении магнитного потока, пронизывающего площадь, ограниченную замкнутым проводником, в этом проводнике возникает электрический ток, существующий в течение всего процесса изменения магнитного потока.

Открытие явления электромагнитной индукции сделало возможным создание генераторов электрической энергии. Здесь участие принимали ученые и изобретатели разных стран. Среди отечественных стоит выделить Эмилия Христиановича Ленца, Бориса Семеновича Якоби, Михаила Иосифовича Доливо-Добровольского.

В таких генераторах происходит превращение механической/химической/тепловой энергии в электрическую. На данный момент они применяются на большей части электростанций различных типов — генерируют практически всю электроэнергию, производимую человечеством.

Действие электромагнитной индукции также лежит в основе действия электродвигателей, индукционных нагревателей, транспорта на электромагнитной подвеске, некоторых измерительных приборов, ускорителей частиц и др.

{"questions":[{"content":"Возникновение в проводнике электрического тока при изменении магнитного потока, пронизывающего площадь, ограниченную этим проводником, называется [[fill_choice_big-55]].","widgets":{"fill_choice_big-55":{"type":"fill_choice_big","options":["электромагнитной индукцией","магнитной индукцией","самоиндукцией"],"answer":0}}}]}

Упражнения

Упражнение № 1

Магнит входит в центр замкнутой рамки (рисунок 13). Возникает ли при этом в рамке индукционный ток, если она сделана из пластика; железа?

Посмотреть ответ

Скрыть

Упражнение № 2

Проволочное кольцо помещено в однородное магнитное поле (рисунок 14). Стрелочки, изображенные рядом с кольцом, показывают, что в случаях а и б кольцо движется прямолинейно вдоль линий индукции магнитного поля, а в случаях в, г и д — вращается вокруг оси ОО’. В каких из этих случаев в кольце может возникнуть индукционный ток?

Посмотреть ответ

Скрыть

Часто задаваемые вопросы