§ 35. Электромагнитная индукция. Генератор

Определения и обозначения

Электромагнитная индукция — возникновение электрического тока в замкнутом проводнике при изменении магнитного поля, пронизывающего контур. Контуром называют замкнутую цепь, например витки катушки. Это явление позволяет получать ток за счёт изменения магнитного поля, а не только от батарейки.

Индукционный ток — ток, возникающий в проводнике вследствие электромагнитной индукции. Он появляется, пока меняется магнитное поле в области замкнутого проводника, а его направление зависит от того, как именно поле изменяется. Поэтому движение магнита в одну сторону и в противоположную сторону вызывает токи разных направлений.

Электрический генератор — устройство, преобразующее механическую энергию в электрическую на основе электромагнитной индукции. Механическая энергия нужна, чтобы вращать катушку или другую часть устройства в магнитном поле. Генератор передаёт возникший ток во внешнюю цепь, например к лампе.

Как это устроено

Соединим катушку с гальванометром — прибором, стрелка которого показывает наличие тока и его направление. Если двигать магнит относительно катушки, стрелка отклоняется: значит, в цепи появился ток. Когда магнит и катушка покоятся друг относительно друга, отклонения нет, потому что магнитное поле через катушку не меняется.

Причина появления тока — изменение магнитного поля в области замкнутого проводника. Его можно изменить, перемещая магнит, но можно перемещать и саму катушку: для результата важно их относительное движение. Если поле остаётся неизменным, одного присутствия магнита рядом с проводником недостаточно для возникновения индукционного тока.

Направление тока зависит от направления изменения магнитного поля. Когда магнит вдвигают в катушку, поле через неё изменяется одним образом, а при выдвигании — противоположным; поэтому меняется направление тока. Гальванометр помогает это проверить: при смене направления тока его стрелка отклоняется в противоположную сторону.

В простой модели генератора есть магнит, катушка, которую можно вращать, и внешняя электрическая цепь. Магнит создаёт поле, а катушка служит проводником, в котором возникает индукционный ток. Внешняя цепь соединяет генератор с потребителем и позволяет передать ему электрическую энергию.

При вращении катушки её положение относительно магнитного поля непрерывно меняется, поэтому меняется и поле, проходящее через катушку. Это вызывает индукционный ток, направление которого периодически изменяется, то есть во внешней цепи получается переменный ток. Вращение требует механической энергии, и она преобразуется в электрическую, поступающую к подключённому устройству.

Электромагнитная индукция и генератор

Сначала найдите в таблице условие, затем проследите, к какому результату оно приводит. Так можно отличить причину появления тока от способа его обнаружения. Последняя строка показывает, как это явление используется в генераторе.

Разбор задач

Задача 1. Магнит вдвигают в катушку, соединённую с гальванометром. Объясните, почему стрелка прибора отклоняется. Нужно связать наблюдаемое движение стрелки с изменением поля и током в замкнутой цепи.

1. Магнит движется относительно катушки, поэтому магнитное поле, проходящее через её витки, меняется.
2. Катушка соединена с гальванометром и образует замкнутую цепь, в которой может возникнуть индукционный ток.
3. Ток проходит через гальванометр, а его магнитное действие отклоняет стрелку прибора.

Ответ: стрелка отклоняется, потому что при вдвигании магнита изменяется магнитное поле через катушку и возникает индукционный ток.

Задача 2. Магнит сначала вдвигают, а затем выдвигают из той же катушки. Сравните показания гальванометра. Чтобы ответить, сравним не положение магнита, а направление изменения поля при каждом движении.

1. При вдвигании поле через катушку изменяется в одном направлении, и возникает ток определённого направления.
2. При выдвигании характер изменения поля становится противоположным, поэтому направление индукционного тока меняется.
3. Гальванометр показывает направление тока отклонением стрелки, следовательно, во второй раз она отклонится в противоположную сторону.

Ответ: при выдвигании магнита стрелка отклонится в другую сторону. Если магнит остановить, изменение поля прекратится, и индукционный ток исчезнет.

Задача 3. Опишите превращения энергии в генераторе, если его катушка вращается в магнитном поле и подключена к лампе. Здесь важно проследить путь энергии от вращения до потребителя, не считать генератор источником, который создаёт энергию из ничего.

1. Вращение катушки требует механической энергии, которую ей передаёт привод.
2. Пока катушка вращается, меняется магнитное поле через неё, поэтому возникает переменный индукционный ток.
3. Ток проходит по внешней цепи к лампе и передаёт ей электрическую энергию; лампа преобразует её в свет и тепло.

Ответ: механическая энергия вращения преобразуется генератором в электрическую, а затем передаётся лампе по цепи.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что ток появляется просто от присутствия магнита рядом с катушкой. Так думают, потому что связывают магнитное поле с током, но забывают условие изменения поля. Проверьте себя: если магнит и катушка неподвижны, поле через катушку постоянно, поэтому индукционного тока нет.

Ошибка: утверждать, что ток будет идти всё время, пока магнит находится внутри катушки. Такое рассуждение смешивает положение магнита и его движение относительно катушки. Остановите магнит: если поле больше не меняется, индукционный ток прекращается, хотя магнит остаётся внутри.

Ошибка: не учитывать смену направления тока, когда магнит движется в обратную сторону. Причина — внимание только к наличию движения, а не к тому, как меняется магнитное поле. Сравните показания гальванометра при вдвигании и выдвигании: отклонение должно быть в противоположные стороны.

Ошибка: называть генератор устройством, которое создаёт энергию. Иногда слово «источник» заставляет забыть о превращениях энергии. Проверьте ответ, описав привод: он совершает механическую работу, а генератор преобразует эту механическую энергию в электрическую.

Связь с другими темами

Для понимания индукции полезны знания о том, что электрический ток создаёт магнитное поле, а магнитное поле действует на проводники с током. Нужно также уметь отличать замкнутую цепь от разомкнутой и понимать, что направление тока можно определить по прибору. Разговор о генераторе связан с преобразованием энергии: механическая энергия вращения становится электрической.

Электромагнитная индукция объясняет работу генераторов на электростанциях, где движение помогает получать электрический ток. На этом явлении основана и работа трансформаторов, которые изучают дальше. Понимание главного условия — изменения магнитного поля — помогает увидеть общий принцип действия таких устройств.

Что запомнить

• Индукционный ток возникает при изменении магнитного поля в области замкнутого проводника.
• Неподвижный магнит рядом с неподвижной катушкой сам по себе не вызывает индукционный ток.
• Направление индукционного тока зависит от направления изменения магнитного поля.
• В генераторе катушка вращается в магнитном поле.
• Генератор преобразует механическую энергию в электрическую.
• При работе генератора во внешней цепи возникает электрический ток.