1. Опыты Фарадея

Определения и обозначения

Электромагнитная индукция — возникновение электрического тока в замкнутом контуре при изменении пронизывающего его магнитного поля. Иначе говоря, меняющееся магнитное воздействие может вызвать движение зарядов без батареи в этой цепи. Это понятие объединяет опыты с движущимся магнитом и с соседними катушками.

Индукционный ток — ток, возникающий в замкнутом контуре вследствие электромагнитной индукции. Он появляется, когда магнитное воздействие на контур меняется, и прекращается, когда изменение заканчивается. Понятие помогает отличить этот ток от тока, который создаёт поле в другой катушке.

Индукционная ЭДС — причина появления индукционного тока в контуре, возникающая при изменении магнитного воздействия. ЭДС можно понимать как действие, которое приводит заряды в движение; если цепь замкнута, появляется ток. Если цепь разомкнуть, ток не пойдёт, хотя индукционная ЭДС может возникать.

Магнитный поток — величина, характеризующая магнитное поле, пронизывающее поверхность контура. Изменить его можно, например, перемещая магнит или меняя ток, создающий поле. Это понятие нужно, чтобы точно описывать магнитное воздействие, от изменения которого зависит индукция.

Как это устроено

Катушку соединяют с гальванометром — прибором, который обнаруживает ток и показывает его направление. Когда постоянный магнит вводят в катушку, стрелка отклоняется: поле внутри катушки изменяется, и возникает индукционная ЭДС. Если магнит остановить, поле перестаёт меняться, поэтому ток исчезает и стрелка возвращается к нулю.

Приближение и удаление магнита изменяют магнитное воздействие на катушку по-разному. При приближении магнитный поток через неё увеличивается, а при удалении уменьшается; в результате индукционный ток направлен противоположно. Сторона магнита тоже имеет значение: она определяет направление поля, поэтому для сравнения опытов нужно сохранять её неизменной.

В другом опыте рядом располагают две катушки: первую подключают к источнику и выключателю, вторую — к гальванометру. При замыкании первой цепи ток в ней нарастает и создаёт меняющееся магнитное поле, которое пронизывает вторую катушку. Из-за изменения этого поля во второй катушке возникает кратковременный индукционный ток; при размыкании происходит новое изменение, и стрелка отклоняется снова.

Если поле существует, но его воздействие на контур не меняется, индукционного тока нет. Поэтому неподвижный магнит внутри неподвижной катушки не вызывает постоянного отклонения гальванометра. Само магнитное поле не приводит заряды в этой цепи в непрерывное движение: для появления индукционной ЭДС необходимо изменение магнитного потока.

Сравнивая опыты, Фарадей установил, что ток можно получить и без непосредственного подключения контура к источнику. Достаточно изменить магнитное поле, пронизывающее замкнутый контур, например движением магнита или изменением тока в соседней катушке. Так было открыто явление электромагнитной индукции и показан принцип получения электрического тока за счёт изменения магнитного воздействия.

Опыты Фарадея и их результаты

В таблице удобно сопоставлять не только действия экспериментатора, но и изменения показаний прибора. Сначала найдите, что именно меняют, а затем проверьте, совпадает ли наблюдение с выводом об изменении магнитного воздействия. Нулевое показание после прекращения изменения не означает, что поле исчезло.

Разбор задач

Задача 1. Катушку подключили к гальванометру. Что произойдёт с показаниями прибора при быстром введении постоянного магнита в катушку, при остановке магнита и при его выведении?

1. При введении магнита его положение относительно катушки меняется, поэтому меняется магнитный поток. В замкнутой цепи возникает индукционный ток, и стрелка отклоняется.
2. Когда магнит остановлен, магнитный поток больше не меняется. Ток прекращается, а стрелка возвращается к нулю.
3. При выведении магнита поток меняется в обратном направлении. Направление индукционного тока меняется, и стрелка отклоняется в противоположную сторону.

Ответ: при введении стрелка отклонится, при остановке вернётся к нулю, при выведении отклонится в обратную сторону. Быстрое движение делает изменение магнитного воздействия более быстрым и обычно усиливает отклонение.

Задача 2. Две катушки расположены рядом. К первой подключены источник тока и выключатель, а вторая соединена с гальванометром. Объясните показания прибора при замыкании и размыкании цепи первой катушки.

1. При замыкании ток в первой катушке возрастает от нуля. Созданное им поле меняется и пронизывает вторую катушку.
2. Изменение магнитного поля вызывает во второй катушке индукционную ЭДС и ток, поэтому стрелка гальванометра отклоняется.
3. После установления постоянного тока поле перестаёт изменяться, и отклонение исчезает. При размыкании ток в первой катушке убывает, поле снова меняется, поэтому стрелка отклоняется в противоположную сторону.

Ответ: прибор реагирует на замыкание и размыкание, но не показывает постоянный ток во второй катушке при неизменном токе первой. Причина отклонений — изменение поля, а не прямое соединение катушек с одним источником.

Задача 3. Предложите способ получить более сильный индукционный ток в катушке с помощью постоянного магнита и объясните выбор.

1. Сравните два опыта: в первом медленно перемещайте магнит, во втором перемещайте его быстрее. Остальные условия, в том числе положение катушки и сторона магнита, должны быть одинаковыми.
2. Более быстрое движение за то же время сильнее изменяет магнитное воздействие на катушку. Поэтому индукционная ЭДС и ток обычно оказываются больше.
3. Проверить результат можно по отклонению гальванометра: при более сильном токе оно будет заметнее. Нельзя судить о силе эффекта по неподвижному магниту, потому что тогда изменения нет.

Ответ: быстро перемещать магнит относительно катушки, сохраняя прочие условия. Более быстрое изменение магнитного потока обычно вызывает более сильный индукционный эффект.

Типичные ошибки

• Ошибка — считать, что любой магнит рядом с катушкой вызывает ток. Так думают, потому что смешивают наличие поля с его изменением; проверьте себя: если магнит и катушка неподвижны, отклонение гальванометра прекращается.

• Ошибка — ожидать постоянный ток от неподвижного магнита внутри неподвижной катушки. Первое краткое отклонение могло создать впечатление, что ток должен сохраняться; после остановки магнита показание возвращается к нулю, поскольку магнитный поток больше не меняется.

• Ошибка — считать, что при удалении магнита ток направлен так же, как при приближении. В обоих случаях движется один и тот же магнит, но изменение потока происходит по-разному; проверьте направление по стрелке гальванометра при неизменном полюсе магнита.

• Ошибка — путать индукционный ток с током в первой катушке, создающей поле. Их путают из-за связи двух цепей, хотя во второй нет непосредственного подключения к источнику; проверьте схему: ток в ней возникает только при изменении поля первой катушки и при замкнутом контуре.

Связь с другими темами

Для понимания опытов нужны знания об электрическом токе, замкнутой цепи, действии магнитного поля на проводник с током и устройстве гальванометра. Изменение поля часто обеспечивается механическим движением магнита или катушки, поэтому тема связывает физику электричества с механикой. Позже эти идеи понадобятся при изучении закона электромагнитной индукции, правила Ленца, генераторов и трансформаторов.

Что запомнить

• Электромагнитная индукция — возникновение тока при изменении магнитного поля в контуре.
• Индукционный ток возникает только в замкнутом контуре.
• Неподвижное магнитное поле само по себе не вызывает индукционного тока.
• При изменении направления движения магнита меняется направление индукционного тока.
• Чем быстрее изменяется магнитное воздействие, тем заметнее индукционный эффект.
• Изменение тока в одной катушке может вызвать ток в другой катушке.
• Опыты Фарадея стали основой получения электрической энергии с помощью генераторов.