§ 42. Явление электромагнитной индукции

Определения и обозначения

Электромагнитная индукция — возникновение электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного поля, пронизывающего контур. Проще говоря, магнитное поле может вызвать ток, если оно меняется относительно контура. Это явление объясняет, как получать электрический ток без батарейки.

Индукционный ток — ток, возникающий в замкнутом контуре вследствие электромагнитной индукции; он существует, пока меняется магнитное поле. Его можно обнаружить, например, гальванометром — прибором для обнаружения слабого тока. Это помогает проверить, меняется ли магнитное поле, связанное с контуром.

Магнитный поток — характеристика магнитного поля, связанная с тем, насколько поле пронизывает поверхность контура. Если поток меняется, в замкнутом контуре может возникнуть индукционный ток. Понятие потока помогает понять, почему ток появляется не только при движении магнита, но и при изменении самого поля.

ЭДС индукции — напряжение, возникающее в контуре при изменении магнитного потока и вызывающее индукционный ток. ЭДС можно представить как причину, которая заставляет заряды двигаться по контуру. Она нужна для объяснения возникновения тока даже там, где нет батарейки.

Как это устроено

Если катушку соединить с гальванометром и двигать рядом с ней магнит, стрелка прибора отклонится. Движение магнита меняет магнитное поле, проходящее через витки катушки, а значит, меняет магнитный поток. Это изменение создаёт ЭДС индукции, которая приводит в движение заряды в замкнутой цепи. Когда магнит и катушка перестают двигаться друг относительно друга, поток перестаёт меняться и стрелка возвращается к нулю.

Ток возникает не от самого наличия магнитного поля, а от изменения магнитного потока через контур. Если магнит просто лежит рядом с неподвижной катушкой, поле может быть сильным, но его связь с катушкой остаётся неизменной. Изменить поток можно, двигая магнит или катушку, а также меняя силу поля. Поэтому важно спрашивать не только, есть ли магнит, но и меняются ли условия прохождения поля через контур.

Гальванометр позволяет заметить ток, который трудно увидеть непосредственно. Если его стрелка отклоняется, значит, по замкнутой цепи движутся заряженные частицы. Направление отклонения показывает направление тока: в одну сторону стрелка уходит при одном направлении тока, в другую — при противоположном. При отсутствии отклонения индукционного тока в данный момент нет, хотя магнитное поле может сохраняться.

Когда магнит приближается к катушке, поток через неё изменяется одним образом, а когда удаляется — противоположным. Поэтому направление индукционного тока в этих двух случаях различается, и гальванометр отклоняется в разные стороны. Если магнит перевернуть, изменится и то, как его поле направлено относительно катушки. Следовательно, направление тока зависит от характера изменения потока, а не только от факта движения.

Чем быстрее меняется магнитный поток, тем заметнее обычно отклонение гальванометра. Быстрое движение магнита за короткое время сильнее меняет условия прохождения поля через катушку, чем медленное движение. Если изменить поток перестали, индукционный ток исчезает: для его поддержания нужно продолжающееся изменение. Поэтому индукционный ток нельзя считать постоянным током от источника, который работает независимо от движения или изменения поля.

Условия возникновения индукционного тока

Сначала выясни, меняется ли магнитный поток: для этого проверь, движется ли магнит или контур либо меняется ли само поле. Затем определи, продолжается ли изменение: если да, ожидай ток. Направление тока можно установить по отклонению гальванометра, но для его определения также нужно учитывать, как именно меняется поток.

Разбор задач

Задача 1. К катушке, соединённой с гальванометром, подносят магнит. Что покажет прибор? Решим качественно: скорость и сила тока здесь не заданы, поэтому вычислять численное значение не требуется. Нужно определить, меняется ли магнитный поток через катушку и замкнута ли цепь.

1. Катушка соединена с гальванометром, поэтому образуется замкнутый проводящий контур. Это необходимое условие для появления тока.
2. Когда магнит приближается, поле через витки катушки меняется, следовательно, меняется и магнитный поток. Возникает ЭДС индукции, которая вызывает ток.
3. Ток обнаруживается по отклонению стрелки гальванометра. Точную сторону отклонения нельзя назвать без сведений о полюсе магнита и подключении прибора.

Ответ: стрелка гальванометра отклонится, показывая наличие индукционного тока.

Задача 2. Магнит сначала вдвигают в катушку, затем выдвигают. Сравним показания прибора. Важно отделить два вопроса: появляется ли ток и одинаково ли он направлен в обоих случаях. Для этого рассмотрим изменение магнитного потока при каждом движении.

1. При вдвигании магнита магнитное поле через катушку меняется, поэтому возникает индукционный ток. Гальванометр отклоняется.
2. При выдвигании поток тоже меняется, значит, ток снова возникает. Но теперь он изменяется противоположным образом по сравнению со случаем вдвигания.
3. Из-за противоположного изменения потока направление тока меняется. Поэтому стрелка отклоняется в другую сторону; величина отклонения может быть разной, если магнит движется с разной скоростью.

Ответ: ток возникает при обоих движениях, но направлен по-разному, поэтому гальванометр отклоняется в противоположные стороны.

Задача 3. В катушке неподвижно закреплён магнит. Как получить индукционный ток, не перемещая магнит? Нужно сохранить замкнутый контур и найти другой способ изменить магнитный поток. Неподвижность магнита сама по себе не означает, что поток обязательно останется неизменным.

1. Если оставить неподвижными и магнит, и катушку, а поле не менять, поток будет постоянным. Индукционного тока не возникнет.
2. Можно перемещать катушку относительно закреплённого магнита. Тогда меняется положение катушки в магнитном поле, а вместе с ним — магнитный поток через витки.
3. Другой способ — изменить силу поля, например изменить ток в электромагните, создающем это поле. Пока поток меняется, в замкнутой катушке будет индукционный ток.

Ответ: не двигая магнит, можно двигать катушку или изменять магнитное поле.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что ток возникает при любом наличии магнита. Так думают, потому что связывают появление тока с силой магнитного поля, а не с его изменением. Проверь себя: если магнит и катушка неподвижны, а поле неизменно, поток не меняется и индукционного тока нет.

Ошибка: ожидать постоянный ток, когда магнит и катушка неподвижны. Можно перепутать индукционный ток с током от батарейки, который поддерживается источником. У индукционного тока причина — изменение потока, поэтому проверь, продолжается ли это изменение: если нет, ток исчезает.

Ошибка: считать, что приближение и удаление магнита создают ток одного направления. Сам факт движения одинаков, поэтому направление легко не учесть. Сравни, увеличивается или уменьшается поток: при изменении в противоположных направлениях меняется и направление тока, что видно по гальванометру.

Ошибка: путать индукционный ток с током от батарейки. Оба тока движутся по проводнику, но причины их возникновения разные; из-за этого различие можно упустить. Проверь схему: если батарейки нет, а ток появился при изменении поля, это индукционный ток; без изменения потока он не поддерживается.

Связь с другими темами

Чтобы изучать индукцию, нужно знать, что электрический ток — это направленное движение заряженных частиц, и уметь обнаруживать его гальванометром. Гальванометр в опыте превращает невидимое движение зарядов в заметное отклонение стрелки. Эти знания помогают связать изменение магнитного поля с током в проводнике.

Тема опирается на представление о магнитном поле и его действии на проводник с током. Магнитный поток описывает связь поля с поверхностью контура, а его изменение приводит к индукции. Так электрические и магнитные явления оказываются связаны между собой.

Электромагнитная индукция лежит в основе работы генераторов электрического тока и трансформаторов. В генераторах изменение магнитного потока помогает получать ток, а в трансформаторах переменное магнитное поле используется для передачи энергии между катушками. Поэтому изученное явление имеет важное практическое применение.

Что запомнить

• Индукционный ток возникает в замкнутом контуре при изменении магнитного потока.
• Одного присутствия магнитного поля для возникновения индукционного тока недостаточно.
• Изменить магнитный поток можно движением магнита или контура либо изменением магнитного поля.
• Индукционный ток существует, пока меняется магнитный поток.
• При изменении потока в противоположных направлениях направление индукционного тока меняется.
• Более быстрое изменение магнитного потока вызывает более заметный индукционный ток.