§ 25. Опыты Фарадея. Открытие электромагнитной индукции

Определения и обозначения

Электромагнитная индукция — явление возникновения электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока через него. Иначе говоря, меняющееся магнитное воздействие создаёт условия для движения зарядов. Это понятие объясняет работу генераторов и многих электротехнических устройств.

Индукционный ток — ток, возникающий в замкнутом контуре вследствие электромагнитной индукции. Его направление и сила зависят от того, как именно изменяется магнитный поток. По отклонению стрелки гальванометра можно обнаружить такой ток.

Магнитный поток — физическая величина, характеризующая магнитное поле, пронизывающее поверхность контура. Обозначается Φ и изменяется при изменении магнитного поля, площади контура или его ориентации. Именно изменение Φ, а не само наличие поля, является причиной индукции.

Индукционная электродвижущая сила — причина возникновения индукционного тока при изменении магнитного потока. Обозначается ε и измеряется в вольтах. Для катушки из N витков её модуль определяется выражением |ε| = N|ΔΦ|/Δt.

Как это устроено

Фарадей соединял катушку с гальванометром и вдвигал в неё постоянный магнит. В момент движения магнита стрелка отклонялась, а после остановки возвращалась к нулю. Причина отклонения в том, что при движении меняется поток магнитного поля через витки катушки, а в цепи появляется индукционная ЭДС.

При приближении магнита к катушке поток через неё увеличивается, а при удалении уменьшается. Поэтому ток в этих двух случаях направлен противоположно: гальванометр отклоняется в разные стороны. Направление определяется не просто движением магнита, а характером изменения магнитного потока и полюсом, обращённым к катушке.

В другом опыте две катушки надевали на общий железный сердечник. При включении или выключении тока в первой катушке стрелка гальванометра во второй кратковременно отклонялась. Ток в первой катушке создавал магнитное поле, а изменение этого тока изменяло поток через вторую катушку; железный сердечник усиливал магнитную связь между ними.

Если ток в соседней катушке постоянен, магнитное поле и поток через вторую катушку также остаются постоянными. Поэтому после краткого отклонения стрелка возвращается к нулю, хотя магнитное поле продолжает существовать. Индукция связана с изменением потока, а не с самим фактом нахождения контура в магнитном поле.

Наблюдения Фарадея привели к закону электромагнитной индукции: модуль индукционной ЭДС равен скорости изменения магнитного потока, а для катушки умножается на число витков: |ε| = N|ΔΦ|/Δt. Знак минус в записи ε = −NΔΦ/Δt показывает противоположность действия индукционного тока изменению потока. Чем быстрее происходит изменение, тем больше ЭДС.

Опыты Фарадея и условия возникновения индукционного тока

В таблице нужно прежде всего найти, изменялся ли магнитный поток через контур. Затем следует сравнить наблюдение с наличием замкнутой цепи и определить направление изменения потока.

Если поток меняется быстрее, отклонение гальванометра обычно больше, потому что увеличивается индукционная ЭДС. При неизменном потоке, даже если магнитное поле велико, индукционный ток не возникает.

Разбор задач

Задача 1. Неподвижный магнит

Условие: магнит равномерно удерживают неподвижным внутри замкнутой катушки. Требуется определить, возникнет ли индукционный ток.

1. Рассмотрим магнитный поток через катушку. Положение магнита, катушки и их взаимная ориентация не меняются.
2. Следовательно, поток постоянен: ΔΦ = 0.
3. По закону индукции |ε| = |ΔΦ|/Δt = 0, поэтому причина тока отсутствует.

Ответ: индукционный ток не возникнет, хотя магнитное поле внутри катушки существует.

Задача 2. Направление отклонения

Условие: сравнить отклонение гальванометра при внесении магнита в катушку и при его выведении.

1. При внесении магнита поток через катушку увеличивается.
2. При выведении того же магнита поток уменьшается, то есть изменение имеет противоположный знак.
3. По закону индукции и правилу Ленца направление тока меняется на противоположное.

Ответ: стрелка отклонится в разные стороны; величина отклонения зависит от скорости движения магнита и других условий опыта.

Задача 3. Индукционная ЭДС катушки

Условие: катушка имеет N = 200 витков. Магнитный поток через один виток изменился на ΔΦ = 0,003 Вб за Δt = 0,02 с. Найти модуль индукционной ЭДС.

1. Используем формулу для катушки: |ε| = N|ΔΦ|/Δt.
2. Подставим данные: |ε| = 200 · 0,003 / 0,02.
3. Сначала найдём изменение потока за единицу времени: 0,003 / 0,02 = 0,15 Вб/с.
4. Умножим результат на число витков: |ε| = 200 · 0,15 = 30 В.

Ответ: модуль индукционной ЭДС равен 30 В.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что ток возникает просто из-за наличия магнита рядом с катушкой. Так происходит потому, что путают магнитное поле с его изменением; проверьте, меняется ли магнитный поток.

Ошибка: определять направление тока только по направлению движения магнита. Нужно учитывать, приближается магнит или удаляется, а также какой полюс обращён к катушке; сравните, растёт поток или уменьшается.

Ошибка: утверждать, что в разомкнутой цепи нет никакого электрического эффекта. Изменение потока может создать ЭДС, но ток появится только при замкнутом пути; проверьте наличие замкнутого контура.

Ошибка: заменять магнитный поток просто величиной магнитного поля. Поток зависит также от площади и ориентации контура, поэтому при анализе учитывайте все эти факторы.

Связь с другими темами

Для понимания опытов нужны знания о действии магнитного поля на проводник с током, катушке и гальванометре. Тема подводит к закону Фарадея и правилу Ленца, а также объясняет работу генераторов электрического тока.

Электромагнитная индукция используется в трансформаторах, электродвигателях и на электростанциях. Опыты Фарадея показывают, как механическое движение может превращаться в электрическую энергию.

Что запомнить

• Электромагнитная индукция возникает при изменении магнитного потока через замкнутый контур.
• Индукционный ток регистрируется гальванометром.
• При приближении и удалении магнита направление индукционного тока различается.
• При неподвижном магните и неподвижной катушке индукционный ток не возникает.
• Чем быстрее изменяется магнитный поток, тем больше индукционная ЭДС.
• Индукционный ток возникает только в замкнутом проводящем контуре.
• Опыты Фарадея доказали возможность превращения механической энергии в электрическую.