1. Опыты Фарадея

Определения и обозначения

Электромагнитная индукция — явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного поля, пронизывающего контур. Проще говоря, если магнитное воздействие на цепь меняется, заряды в ней начинают двигаться упорядоченно. Это понятие описывает связь магнитных явлений с электрическими и помогает определить условие, при котором возникает ток.

Индукционный ток — ток, возникающий в замкнутом проводящем контуре вследствие электромагнитной индукции. Его можно обнаружить гальванометром — прибором, стрелка которого отклоняется при прохождении тока. Термин нужен, чтобы отличать ток, вызванный изменением магнитного поля, от тока, создаваемого, например, батареей.

Индукционная ЭДС — ЭДС, которая возникает в контуре при изменении магнитного поля и может поддерживать индукционный ток. ЭДС характеризует действие, заставляющее заряды перемещаться по цепи. Если контур замкнут, под действием этой ЭДС течёт ток; если цепь разомкнута, непрерывного тока нет. Поэтому ЭДС и ток связаны, но это не одно и то же.

Как это устроено

Когда магнит движется относительно катушки, меняется магнитное поле в области витков. Из-за этого заряды в проводнике приходят в направленное движение, и в замкнутой цепи появляется ток. Гальванометр отклоняется именно в этот момент, а после остановки магнита поле перестаёт изменяться. Тогда индукционный ток исчезает, хотя магнитное поле внутри катушки остаётся.

Если изменить направление движения магнита, изменится и то, как магнитное поле воздействует на катушку. Поэтому направление движения зарядов в проводе становится противоположным, а стрелка гальванометра отклоняется в другую сторону. Так же меняется направление тока, если к катушке повернуть противоположный полюс магнита. Наблюдение показывает, что направление тока связано не просто с наличием поля, а с характером его изменения.

Магнит не обязательно перемещать: ток в одной катушке можно включать, выключать или изменять. При изменении тока меняется создаваемое им магнитное поле, которое действует на соседнюю катушку. В её замкнутой цепи возникает индукционный ток, хотя обе катушки могут оставаться неподвижными. Причина тока та же, что и при движении магнита: меняется магнитное поле в области второго контура.

Сравнение опытов позволяет выделить общее условие: поле должно изменяться в области замкнутого контура. Если магнит неподвижен, а ток в соседней катушке постоянен, поле не меняется и отклонения гальванометра нет. Если же поле меняют движением магнита или изменением тока, появляется кратковременный ток. Значит, для электромагнитной индукции важно изменение поля, а не само присутствие магнита.

Гальванометр включают в цепь катушки, чтобы обнаружить ток: его стрелка реагирует на движение зарядов. Если проводящий контур разомкнуть, непрерывный путь для зарядов исчезает, поэтому индукционный ток не протекает. Это не означает, что изменение поля стало невозможным; просто разомкнутая цепь не позволяет току течь по кругу. Так опыт отличает возникновение ЭДС от протекания тока.

Опыты Фарадея и их результаты

Сопоставляйте в таблице условие опыта с показанием гальванометра: его отклонение означает, что в замкнутой цепи появился ток. При обратном изменении поля направление отклонения меняется. Таблица помогает увидеть общее условие индукции в разных опытах.

Разбор задач

Задача 1. Магнит вдвигают в катушку, подключённую к гальванометру. Определите, будет ли отклоняться стрелка, если магнит остановить внутри катушки.

1. При вдвигании магнита его положение относительно катушки меняется, поэтому меняется магнитное поле в области витков.
2. Изменение поля вызывает индукционный ток, и гальванометр отклоняется.
3. После остановки магнита взаимное положение не меняется. Поле может оставаться внутри катушки, но больше не изменяется.

Ответ: после остановки магнита стрелка не будет отклоняться; индукционный ток прекратится.

Задача 2. Магнит выдвигают из катушки, а затем снова вдвигают. Сравните направление индукционного тока в двух случаях.

1. При выдвигании поле, пронизывающее катушку, изменяется в одном направлении.
2. При вдвигании направление изменения поля становится противоположным.
3. Следовательно, направление индукционного тока меняется на противоположное; гальванометр отклонится в другую сторону.

Ответ: токи при выдвигании и вдвигании направлены противоположно. Это верно при одинаковой ориентации магнита и катушки в обоих опытах.

Задача 3. В одной из двух катушек на общем сердечнике включают и выключают ток. Объясните, когда во второй катушке возникает индукционный ток и почему.

1. Ток в первой катушке создаёт магнитное поле, которое проходит через общий сердечник и действует на вторую катушку.
2. В момент включения или выключения ток первой катушки меняется, поэтому меняется и её магнитное поле.
3. Изменение поля вызывает индукционную ЭДС во второй катушке. Если её цепь замкнута, по ней проходит индукционный ток.

Ответ: ток во второй катушке возникает при включении и выключении тока в первой, пока магнитное поле изменяется. При постоянном токе первой катушки поле не меняется, поэтому индукционный ток во второй не поддерживается.

Типичные ошибки

• Считать, что ток возникает просто из-за присутствия магнита. Так думают, потому что магнитное поле действительно действует на катушку. Но неподвижный магнит не вызывает постоянного тока, если поле не меняется. Проверьте себя: изменяется ли взаимное положение магнита и катушки или само поле?
• Ожидать постоянный ток при неподвижном магните. Стрелка отклоняется во время движения, и это легко принять за признак постоянного действия магнита. Однако после остановки изменение поля прекращается, а отклонение исчезает. Проверка проста: сравните показания во время движения и после остановки.
• Считать, что направление тока всегда одинаково. Ошибка возникает, если замечать лишь наличие тока, но не учитывать, как меняется поле. При обратном движении магнита направление тока меняется. Сравните, в какую сторону отклоняется стрелка при вдвигании и выдвигании.
• Путать индукционную ЭДС с индукционным током. ЭДС может возникнуть при изменении поля, но ток требует замкнутого пути. Проверьте, замкнута ли цепь: в разомкнутой катушке непрерывный ток не течёт.

Связь с другими темами

Для понимания опытов нужны знания об электрическом токе, замкнутой цепи и магнитном поле. Полезно помнить, что ток — направленное движение зарядов, а замкнутая цепь предоставляет им непрерывный путь. Магнитное поле связано с действием магнитов и проводников с током; именно изменение этого поля в контуре приводит к индукции.

Дальше эти наблюдения помогут изучить закон электромагнитной индукции, который количественно описывает возникающую ЭДС. На этом явлении основана работа генераторов электрического тока, превращающих механическое движение в электрическую энергию. Трансформаторы используют изменение магнитного поля для передачи энергии между катушками.

Что запомнить

• Индукционный ток возникает при изменении магнитного поля в замкнутом контуре.
• Неподвижный магнит сам по себе не вызывает постоянного индукционного тока.
• Изменять магнитное поле можно движением магнита или изменением тока в соседней катушке.
• При изменении направления воздействия меняется направление индукционного тока.
• Для обнаружения тока в опытах используют гальванометр.
• В разомкнутом контуре индукционный ток не течёт.