Из истории открытия закона электромагнитной индукции

Определения и обозначения

Электромагнитная индукция — возникновение электрического тока в замкнутом проводнике при изменении магнитного поля, пронизывающего контур. Термин и само явление связаны с опытами Майкла Фарадея. Это определение помогает отличать индукцию от обычного действия источника тока.

Индукционный ток — ток, возникающий в замкнутом контуре при изменении магнитного потока. Он существует не постоянно, а главным образом в то время, когда поток изменяется. Его направление зависит от того, увеличивается поток или уменьшается.

Магнитный поток — характеристика магнитного поля через поверхность контура. Для однородного поля его записывают так: Φ = B S cos α, где B — магнитная индукция, S — площадь контура, α — угол между полем и нормалью к поверхности. Это понятие нужно, чтобы связать наблюдения Фарадея не просто с магнитом или полем, а именно с изменением потока.

Как это устроено

После опыта Эрстеда стало известно, что электрический ток действует на магнитную стрелку и создаёт магнитное поле. Опыты Ампера показали взаимодействие проводников с током, поэтому возник вопрос: может ли магнитное поле, в свою очередь, создать электрический ток? Именно поиск такой обратной связи усилил интерес учёных к новым опытам.

Фарадей пытался получить постоянный ток в одной катушке с помощью постоянного тока в соседней. Пока ток в первой катушке оставался неизменным, во второй устойчивого тока не возникало. Это привело к важному выводу: само наличие магнитного поля недостаточно, нужно его изменение.

В опыте с двумя катушками их помещали на общее железное кольцо. При включении тока в первой катушке стрелка прибора во второй отклонялась, а затем возвращалась назад; при выключении происходило кратковременное отклонение в другую сторону. Железное кольцо усиливало магнитную связь катушек, но ток появлялся именно в моменты изменения тока и магнитного поля.

В другом опыте Фарадей перемещал магнит относительно катушки, соединённой с гальванометром. При приближении или удалении магнита поток через контур менялся, поэтому возникал ток. Если изменить направление движения, изменялось и направление тока: это показывает, что важен не просто факт движения, а характер изменения потока.

Исторический вывод Фарадея состоял в том, что решающим условием является изменение магнитного потока через контур. Поток может меняться из-за изменения магнитного поля, площади контура или его ориентации. Это открытие положило начало широкому применению электромагнитной индукции в технике.

Опыты Фарадея и выводы из них

Таблицу удобно читать слева направо: сначала определить, какое условие изменяли, затем найти наблюдение и сформулировать вывод. Если ничего не меняется, устойчивого индукционного тока быть не должно.

Разные опыты приводят к одному правилу: искать нужно изменение магнитного потока через контур. Источник этого изменения может быть различным.

Разбор задач

1. Магнит вводят в катушку

Условие. Катушка соединена с гальванометром, и в неё быстро вводят постоянный магнит. Требуется объяснить отклонение стрелки и выяснить, что будет при остановке магнита.

1. При движении магнита меняется магнитное поле внутри катушки.
2. Из-за этого изменяется магнитный поток через её контур.
3. В замкнутой цепи возникает индукционный ток, поэтому стрелка отклоняется.
4. После остановки магнита поле и поток становятся постоянными.

Ответ. Стрелка отклоняется только во время движения магнита. После остановки она вернётся к нулевому положению, хотя магнит останется внутри катушки.

2. Магнит вводят и вынимают

Условие. Магнит сначала вводят в катушку, а затем вынимают с той же скоростью. Нужно сравнить направления индукционного тока.

1. При введении магнита поток через катушку изменяется в одном направлении.
2. При выведении магнита изменение потока направлено противоположно.
3. Поэтому индукционный ток в двух случаях течёт в противоположных направлениях.
4. Одинаковая скорость означает близкую длительность и силу изменения, но не одинаковое направление тока.

Ответ. Направления токов противоположны. Причина — противоположный характер изменения магнитного потока при введении и вынимании магнита.

3. Две катушки на общем сердечнике

Условие. Первичная катушка подключена к источнику тока, вторичная — к гальванометру. Нужно описать показания прибора при замыкании ключа, установившемся токе и размыкании цепи.

1. При замыкании ключа ток в первичной катушке возрастает, поэтому магнитный поток через вторичную катушку меняется.
2. Гальванометр кратковременно отклоняется, показывая индукционный ток.
3. При установившемся постоянном токе поток не меняется, и стрелка возвращается к нулю.
4. При размыкании ток уменьшается до нуля, поток снова изменяется, поэтому возникает кратковременный ток противоположного направления.

Ответ. При замыкании и размыкании наблюдаются краткие отклонения, а в установившемся режиме прибор тока не показывает. Индукция связана с переходными процессами, а не с постоянным значением тока.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Считать, что один лишь магнит создаёт ток в катушке. Так думают, потому что поле магнита действительно действует на проводник, но проверка проста: оставьте магнит неподвижным — стрелка прибора остановится.

Ошибка 2. Утверждать, что магнит обязательно нужно двигать. Это неверно: в опыте с двумя катушками поток изменяется при включении или выключении тока в первой катушке. Значит, нужно искать изменение поля, а не обязательно механическое движение.

Ошибка 3. Ожидать постоянный индукционный ток при неизменном потоке. Такой вывод противоречит опытам Фарадея: после завершения переходного процесса ток исчезает. Проверьте, меняется ли поток в данный момент.

Ошибка 4. Путать изменение магнитного поля с изменением магнитного потока. Поток может измениться также из-за площади контура или его ориентации. Для проверки учитывайте все величины в выражении Φ = B S cos α.

Связь с другими темами

До изучения этой темы нужно знать, что электрический ток создаёт магнитное поле. Также пригодятся представления о катушке, замкнутой электрической цепи и работе гальванометра, который обнаруживает ток.

Открытие Фарадея служит основой для закона электромагнитной индукции и правила Ленца. На его принципе работают генераторы и трансформаторы: первые получают электрическую энергию за счёт движения, вторые изменяют параметры переменного тока.

Что запомнить

• Фарадей открыл явление электромагнитной индукции в опытах по связи электрических и магнитных явлений.
• Наличие постоянного магнитного поля само по себе не вызывает индукционный ток.
• Индукционный ток возникает при изменении магнитного потока через замкнутый контур.
• Изменить магнитный поток можно, например, перемещая магнит или изменяя ток в соседней катушке.
• Направление индукционного тока зависит от характера изменения магнитного потока.
• Опыты Фарадея заложили основу практического получения электрического тока с помощью магнитного поля.