1. Опыты Фарадея

Определения и обозначения

Электромагнитная индукция — явление возникновения электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного поля, пронизывающего контур. Иначе говоря, изменяющееся магнитное воздействие вызывает упорядоченное движение зарядов. Это понятие помогает объяснить, как получать электрический ток без непосредственного подключения источника к контуру.

Индукционный ток — ток, возникающий в замкнутом контуре вследствие электромагнитной индукции. Он существует, пока меняются условия магнитного воздействия, например пока магнит движется относительно катушки. Понятие позволяет отличить кратковременный ток при изменении поля от обычного тока, который поддерживает источник.

Индукционная ЭДС — ЭДС, возникающая в контуре при электромагнитной индукции. ЭДС характеризует действие, которое приводит в движение заряды, поэтому она может существовать и в разомкнутом контуре. В разомкнутой цепи ток не течёт, но наличие ЭДС важно для понимания того, почему при замыкании цепи ток может появиться.

Гальванометр — чувствительный прибор для обнаружения и определения направления слабого тока. В опытах Фарадея его подключали к катушке и следили за отклонением стрелки. Прибор нужен, чтобы заметить короткий индукционный ток и сравнить его направление при разных изменениях магнитного воздействия.

Как это устроено

Когда магнит приближают к катушке, гальванометр показывает ток, а при удалении магнита стрелка отклоняется в противоположную сторону. Причина в том, что при движении меняется магнитное воздействие на витки катушки: в одном случае оно усиливается, в другом ослабевает. Остановленный магнит создаёт неизменное воздействие, поэтому ток исчезает. Изменение направления движения меняет и направление индукционного тока.

Тот же эффект наблюдается, если магнит оставить неподвижным, а двигать катушку. При сближении или удалении изменяется взаимное положение источника магнитного поля и витков, поэтому меняется воздействие на контур. Важно именно относительное движение: опыты не требуют, чтобы двигался обязательно магнит. Если катушка и магнит неподвижны друг относительно друга, такого изменения нет.

Индукционный ток появляется и тогда, когда рядом меняется ток в другой катушке. Катушка с током создаёт магнитное поле, а изменение тока меняет и это поле. Поле действует на вторую катушку, подключённую к гальванометру, и в ней возникает индукция. Значит, для появления эффекта не обязательно перемещать магнит или контур.

При замыкании цепи соседней катушки ток в ней нарастает не мгновенно, поэтому её магнитное поле меняется; в этот переходный момент гальванометр во второй цепи отклоняется. При размыкании ток убывает, поле также меняется, и прибор снова показывает кратковременный ток, обычно противоположного направления. Когда ток в первой катушке становится постоянным, её поле перестаёт изменяться. Поэтому непрерывного индукционного тока во второй катушке нет.

Все опыты объединяет одно условие: меняется магнитное воздействие на контур. Оно может измениться из-за движения магнита, движения катушки или изменения тока в соседней катушке. Одного пребывания замкнутого контура в магнитном поле недостаточно, если поле и положение контура не меняются. Поэтому наличие магнита рядом само по себе ещё не означает, что в катушке течёт ток.

Опыты Фарадея и наблюдаемые эффекты

В таблице сопоставлены действие в опыте, вызванное им изменение магнитного воздействия и показание в контуре. Сравнивайте строки по второму столбцу: именно изменение объясняет появление или отсутствие тока. Направление тока зависит от того, как именно меняется воздействие.

Разбор задач

Задача 1. Катушку подключили к гальванометру. Нужно определить, будет ли отклоняться стрелка, если магнит подносят к катушке, держат неподвижно или удаляют. Для ответа проследим не только за наличием магнита, но и за изменением его воздействия на катушку.

1. Когда магнит подносят, его положение относительно витков меняется. Магнитное воздействие усиливается, поэтому возникает индукционный ток и стрелка отклоняется.
2. Когда магнит держат неподвижно, воздействие на катушку не меняется. После окончания движения индукционный ток исчезает, и гальванометр не показывает отклонения.
3. Когда магнит удаляют, воздействие ослабевает. Ток снова возникает, но его направление противоположно направлению тока при приближении магнита.

Ответ: стрелка отклоняется при поднесении и удалении магнита, но не при его неподвижном положении. Направления отклонения при движении к катушке и от неё противоположны. Это позволяет связать показания прибора не с присутствием магнита, а с изменением воздействия.

Задача 2. Магнит неподвижен, а катушку сначала приближают к нему, затем удаляют. Нужно сравнить показания гальванометра с опытом, где движется магнит. Решение основано на том, что изменение взаимного положения меняет воздействие на катушку независимо от того, какой предмет движется.

1. При приближении катушки к магниту расстояние между ними уменьшается, и магнитное воздействие на витки меняется. Поэтому появляется ток, а гальванометр отклоняется.
2. При удалении катушки воздействие меняется в обратную сторону. Стрелка отклоняется в противоположном направлении, как и при удалении магнита от неподвижной катушки.
3. Сравниваем результаты: одинаковое относительное движение создаёт одинаковый характер изменения воздействия. Поэтому прибор показывает тот же эффект, что и в опыте с движущимся магнитом.

Ответ: при движении катушки стрелка отклоняется так же, как при соответствующем движении магнита относительно катушки. При смене направления движения меняется и направление индукционного тока. Определяющим является относительное движение, а не выбор движущегося тела.

Задача 3. Две катушки расположены рядом: первую подключили к источнику и ключу, вторую — к гальванометру. Требуется описать показания при замыкании, размыкании и постоянном токе в первой катушке. Сначала выясним, меняется ли поле первой катушки в каждом случае.

1. При замыкании ключа ток в первой катушке нарастает, и её магнитное поле меняется. Во второй катушке возникает кратковременный индукционный ток, поэтому стрелка отклоняется.
2. При размыкании ток убывает до нуля, а магнитное поле ослабевает. Во второй катушке снова возникает кратковременный ток; направление отклонения противоположно наблюдаемому при замыкании.
3. Если после включения ток в первой катушке постоянен, поле больше не меняется. Во второй катушке нет индукционного тока, и гальванометр не отклоняется.

Ответ: при замыкании и размыкании ключа прибор кратковременно отклоняется, причём направления отклонения противоположны. При неизменном токе в первой катушке отклонения нет. Причина во всех случаях — появление тока только при изменении магнитного поля.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что ток возникает просто от присутствия магнита рядом с катушкой. Так думают, потому что связывают магнитное поле с током без учёта того, меняется ли поле. Проверьте себя: если магнит и катушка неподвижны относительно друг друга, гальванометр не должен показывать постоянный индукционный ток.

Ошибка — утверждать, что двигаться обязательно должен магнит. В опыте легко запомнить именно движение магнита и принять его за единственно возможное условие. Проверьте себя, мысленно оставив магнит на месте и передвинув катушку: если меняется их относительное положение, магнитное воздействие тоже меняется.

Ошибка — полагать, что индукционный ток сохраняется при неизменном магнитном поле. Её допускают, смешивая момент возникновения тока с его длительным существованием. Чтобы проверить ответ, выясните, продолжается ли изменение поля: если оно прекратилось, индукционный ток исчезает.

Ошибка — путать индукционную ЭДС с индукционным током. В замкнутой цепи их часто наблюдают одновременно, поэтому различие может остаться незамеченным. Проверьте себя вопросом, замкнут ли контур: в разомкнутом контуре ЭДС может возникнуть, но ток течь не будет.

Связь с другими темами

Для понимания опытов нужно знать, что электрический ток создаёт магнитное поле, и уметь описывать действие магнита и катушки с током. Результаты опытов подготавливают к изучению магнитного потока, закона электромагнитной индукции и правила Ленца, которые позволяют точнее описывать условия и направление индукции. Практическое применение этих идей — генераторы, преобразующие механическое движение в электрическую энергию. Трансформаторы также используют изменение магнитного поля для передачи энергии между катушками.

Что запомнить

• Опыты Фарадея установили явление электромагнитной индукции.
• Индукционный ток возникает при изменении магнитного воздействия на замкнутый контур.
• Для индукции может двигаться магнит, контур или меняться ток в соседней катушке.
• Неподвижная катушка в неизменном магнитном поле сама по себе индукционного тока не имеет.
• Направление индукционного тока зависит от того, как изменяется магнитное воздействие.
• В разомкнутом контуре ток не течёт, хотя индукционная ЭДС может возникнуть.