"Физика (базовый и профильный уровни)", Тихомирова С.А., Яворский Б.М.
Опыты Майкла Фарадея показали, что изменяющееся магнитное поле может вызывать электрический ток в замкнутом проводящем контуре. Это явление называют электромагнитной индукцией. Ток возникает не просто потому, что контур находится рядом с магнитом: необходимо изменение магнитного потока через контур. Поток можно менять движением магнита, изменением поля, площади контура или его ориентации. Закон Фарадея связывает ЭДС индукции со скоростью изменения потока, а направление тока зависит от характера этого изменения.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Электромагнитная индукция — возникновение электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного поля, пронизывающего контур. Иначе говоря, магнитное воздействие может породить ток, если оно меняется. Это понятие описывает главное явление, обнаруженное в опытах Фарадея.
Индукционный ток — ток, возникающий в замкнутом контуре вследствие электромагнитной индукции. Он появляется благодаря изменению магнитного потока, а не из-за постоянного присутствия магнита рядом. Термин нужен, чтобы отличать такой ток от тока, создаваемого, например, батареей.
Магнитный поток — величина, характеризующая магнитное поле, проходящее через поверхность контура; для однородного поля Φ = BS cos α. Здесь B — магнитная индукция, S — площадь контура, α — угол между полем и нормалью к его поверхности. Поток позволяет учитывать не только силу поля, но и размер контура и его положение.
ЭДС индукции — ЭДС, возникающая в контуре при изменении магнитного потока через него; её модуль определяется скоростью изменения потока. Она показывает, насколько сильно изменение потока способно вызвать ток. Для количественного расчёта используют закон Фарадея и сравнивают изменение потока со временем.
Если двигать магнит относительно катушки, стрелка подключённого гальванометра отклоняется во время движения. Магнитное поле пронизывает витки, а при движении магнита поле в области катушки меняется, поэтому меняется и магнитный поток. Изменение потока создаёт ЭДС индукции, которая приводит заряды в движение по замкнутой цепи. Когда движение прекращается и поток перестаёт меняться, причина возникновения индукционного тока исчезает.
При приближении магнита к катушке стрелка отклоняется в одну сторону, а при удалении — в другую. Приближение увеличивает магнитное воздействие на катушку, тогда как удаление его ослабляет; значит, поток меняется противоположным образом. Если поменять направление движения магнита, изменится и направление изменения потока, поэтому поменяется направление тока. Так наблюдение гальванометра показывает не только появление тока, но и его направление.
Для возникновения индукционного тока не обязательно перемещать магнит. Если рядом расположить катушку с током и изменить ток в ней, изменится создаваемое ею магнитное поле. Через вторую катушку будет проходить меняющийся поток, который вызовет ЭДС индукции. Поэтому опыт с двумя катушками подтверждает: решающим условием является изменение потока, а не механическое движение магнита как таковое.
Поток через контур можно изменить разными способами: изменить магнитную индукцию B, площадь S или угол α. Например, при повороте контура меняется доля поля, проходящая через его поверхность, даже если само поле остаётся прежним. Изменение площади тоже меняет поток, поскольку поле охватывает поверхность другого размера. Любой из этих способов может вызвать индукцию, если магнитный поток действительно меняется.
Закон Фарадея связывает ЭДС индукции со скоростью изменения потока: εᵢ = −ΔΦ/Δt. Чем больше изменение потока за один и тот же промежуток времени, тем больше модуль ЭДС; при одинаковом изменении потока более быстрое изменение даёт большую ЭДС. Знак минус указывает на направление индукции, которое подробнее объясняет правило Ленца. Для нахождения модуля используют |εᵢ| = |ΔΦ|/Δt, не учитывая знак направления.
Сопоставляйте в таблице, что именно меняют в опыте и какой эффект замечают. Общий вывод во всех случаях — индукция связана с изменением магнитного потока через контур, хотя способ изменения может быть разным. Если поток остаётся неизменным, одного присутствия поля для возникновения индукционного тока недостаточно.
| Опыт | Что изменяют | Что наблюдают | Вывод |
|---|---|---|---|
| Движение магнита относительно катушки | Положение магнита и магнитный поток через катушку | При движении магнита гальванометр показывает ток; при изменении направления движения меняется направление тока | Движение вызывает индукцию, если меняет поток через контур |
| Ток в соседней катушке | Ток в первой катушке, а вместе с ним её магнитное поле | В соседней катушке появляется ток, когда поле изменяется | Магнит можно не перемещать: достаточно изменить поток через контур |
| Изменение ориентации или площади контура в магнитном поле | Угол между контуром и полем либо площадь контура | При изменении потока в замкнутом контуре возникает ЭДС и ток | Поток зависит не только от величины поля, но и от геометрии контура |
Задача 1. Магнит неподвижен внутри катушки. Возникнет ли индукционный ток, если катушка и магнит не движутся? Разберём условие через магнитный поток: важно не само наличие поля, а его изменение через контур. Предполагаем, что поле и положение катушки остаются постоянными.
Определяем, меняется ли магнитное поле, пронизывающее катушку. По условию магнит и катушка неподвижны, поэтому поле не изменяется.
Проверяем магнитный поток: площадь и ориентация катушки также постоянны, значит, Φ остаётся неизменным. Следовательно, ΔΦ = 0 и ЭДС индукции не возникает.
Без ЭДС индукции нет причины для индукционного тока в цепи. Ответ: нет, ток не возникнет, если поток через катушку не меняется.
Задача 2. Магнит перемещают к катушке сначала медленно, затем быстрее. Сравните модуль возникающей ЭДС. Поток в обоих случаях меняется из-за движения магнита, но на сравнение влияет время, за которое происходит это изменение. Считаем, что сравниваем сопоставимые перемещения магнита и, следовательно, одинаковые изменения потока.
Записываем закон для модуля ЭДС: |εᵢ| = |ΔΦ|/Δt. При одинаковом изменении потока меньшему времени соответствует большее отношение |ΔΦ|/Δt.
Более быстрое перемещение означает, что тот же поток изменяется за более короткий промежуток времени. Поэтому скорость изменения потока во втором случае больше.
По закону Фарадея модуль ЭДС при более быстром перемещении больше. Ответ: при быстром движении магнита возникает большая по модулю ЭДС индукции.
Задача 3. Магнитный поток через контур равномерно изменился на 0,12 Вб за 0,04 с. Найдите модуль ЭДС индукции. Поток изменяется равномерно, поэтому можно применить формулу для среднего значения ЭДС за указанный промежуток времени. Знак направления не требуется, поскольку спрашивают модуль.
Записываем формулу: |εᵢ| = |ΔΦ|/Δt. Подставляем абсолютное изменение потока 0,12 Вб и время 0,04 с.
Вычисляем: 0,12/0,04 = 3. Единица измерения получается как Вб/с, что равно вольту.
Ответ: модуль ЭДС индукции равен 3 В. Если бы потребовалось направление тока, одного значения модуля было бы недостаточно.
Ошибка: считать, что ток появляется от одного лишь нахождения катушки в магнитном поле. Так думают, потому что связывают индукцию с магнитом, но постоянный поток не создаёт ЭДС индукции. Проверьте себя: сравните поток в начале и конце рассматриваемого промежутка — для индукции он должен измениться.
Ошибка: полагать, что магнит обязательно нужно двигать. Такой вывод делают из опыта с движущимся магнитом, забывая о других способах изменения потока. Проверьте, меняются ли поле, площадь контура или его ориентация: любой из этих вариантов может вызвать индукцию.
Ошибка: считать, что направление тока не зависит от направления изменения потока. При таком упрощении теряется различие между приближением и удалением магнита. Чтобы проверить себя, сравните, увеличивается поток или уменьшается: при противоположном характере изменения направление индукционного тока меняется.
Ошибка: путать магнитный поток с магнитной индукцией. B характеризует магнитное поле, а поток зависит также от площади поверхности и её ориентации. Проверка проста: для однородного поля используйте Φ = BS cos α и выясните, какие величины могут измениться в задаче.
Для понимания опытов Фарадея нужно знать, что такое магнитное поле и магнитная индукция, а также как устроен электрический ток в замкнутой цепи. Эти понятия помогают описать поле, поток и движение зарядов в контуре. Изучение индукции подготавливает к правилу Ленца, которое определяет направление индукционного тока, и самоиндукции — явлению, связанному с изменением собственного магнитного потока. Применение электромагнитной индукции лежит в основе работы электрогенератора.
Почему ток появляется только тогда, когда магнит движется относительно катушки?
При движении магнита меняется магнитное поле, пронизывающее катушку, а значит, меняется магнитный поток через её витки. Это изменение вызывает ЭДС индукции и ток в замкнутой цепи. Если магнит и катушка неподвижны относительно друг друга, поток обычно постоянен и ток не возникает.
Можно ли получить индукционный ток, не перемещая магнит?
Да. Можно менять магнитное поле рядом с неподвижной катушкой, например изменять ток в соседней катушке. Также поток меняется при изменении площади контура или его ориентации относительно поля.
Почему при приближении и удалении магнита направления тока различаются?
При приближении магнита магнитный поток через катушку меняется в одну сторону, а при удалении — в противоположную. Поэтому меняется направление ЭДС индукции и тока. Индукционный ток связан именно с изменением потока, а не только с его наличием.
От чего зависит величина ЭДС индукции?
Модуль ЭДС зависит от того, насколько быстро изменяется магнитный поток через контур. Чем быстрее изменение, тем больше ЭДС. Для одного контура используют соотношение |εᵢ| = |ΔΦ|/Δt.
Что именно показывает магнитный поток через контур?
Магнитный поток характеризует магнитное поле, проходящее через поверхность, ограниченную контуром. Он зависит от магнитной индукции, площади поверхности и её ориентации относительно поля. Для однородного поля Φ = BS cos α.
§ 6. Опыты Фарадея
