1. Причины возникновения индукционного тока

Определения и обозначения

Индукционный ток — ток, возникающий в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока через него. Контуром называют проводящий путь, например виток катушки, а замкнутым он является тогда, когда ток может пройти по всему пути. Это определение помогает отличить индукционный ток от тока, создаваемого обычным источником напряжения.

Электромагнитная индукция — явление возникновения индукционного тока при изменении магнитного потока через замкнутый контур. Иными словами, это название физического процесса, а индукционный ток — его наблюдаемое проявление. Термин нужен, чтобы описывать не только опыт с магнитом и катушкой, но и другие способы изменить поток.

Магнитный поток — величина, характеризующая магнитное поле, проходящее через поверхность контура; для однородного поля Φ = BS cos α. Здесь B — магнитная индукция, S — площадь контура, а α — угол между магнитным полем и нормалью к поверхности. Поток позволяет учесть, какая часть поля проходит через контур, и определить, меняются ли условия для возникновения тока.

Как это устроено

Если катушку соединить с гальванометром — прибором, который показывает наличие и направление тока, — и двигать магнит относительно неё, стрелка отклонится. Движение меняет взаимное положение магнита и витков, поэтому через поверхность катушки проходит другой магнитный поток. Когда магнит останавливается, поток перестаёт изменяться, и отклонение исчезает: постоянное поле не поддерживает индукционный ток в этом опыте.

При приближении магнита поток через катушку изменяется одним образом, а при удалении — противоположным. Поэтому направление возникающего тока меняется, и гальванометр отклоняется в другую сторону. Причина не в том, что магнит «толкает» заряд в одном случае и «тянет» в другом: важен характер изменения потока. Если изменение прекращается, ток в опыте также прекращается.

Магниту не обязательно двигаться. Например, можно оставить катушки неподвижными и менять ток в одной из них: вместе с током меняется создаваемое ею магнитное поле, а значит, и поток через соседний замкнутый контур. Пока поле изменяется, в контуре наблюдается индукционный ток. Такой опыт показывает, что решающим условием является изменение магнитного потока, а не механическое движение магнита.

Поток можно изменить тремя способами: изменить магнитную индукцию B, площадь S контура в поле или угол α между полем и нормалью к поверхности. Это следует из формулы Φ = BS cos α: изменение любого из этих множителей может изменить значение потока. Например, поворот контура меняет долю поля, проходящую через его поверхность, даже если магнит и величина поля остаются неподвижными и неизменными.

Общий вывод опытов таков: причина индукционного тока — изменение магнитного потока через замкнутый контур. Само наличие поля не гарантирует ток: если поток неизменен, описанного эффекта нет. И наоборот, поток может меняться без перемещения магнита — при изменении поля, площади контура или его ориентации. Для появления именно тока контур должен быть замкнут.

Способы изменить магнитный поток и наблюдаемый результат

Пользуйтесь таблицей, чтобы сначала назвать изменяемую величину, а затем проверить, меняется ли из-за неё магнитный поток. Ток появляется в замкнутом контуре именно в период изменения потока, а не просто потому, что контур находится в поле. Несколько способов можно сочетать, но условие остаётся тем же.

Разбор задач

Движение магнита к катушке

Условие. Магнит приближают к замкнутой катушке, подключённой к гальванометру. Нужно определить, будет ли возникать ток. Важно установить не просто наличие поля, а меняется ли поток через катушку.

1. Катушка замкнута, поэтому по ней может пройти ток.
2. Когда магнит движется, магнитное поле через витки катушки меняется, и вместе с ним меняется магнитный поток.
3. Изменение потока в замкнутом контуре вызывает индукционный ток, который обнаружит гальванометр.

Ответ: да, во время приближения магнита возникает индукционный ток. Когда движение прекратится и поток станет постоянным, ток исчезнет.

Магнит вдвигают и вытаскивают

Условие. Один и тот же магнит сначала вдвигают в катушку, а затем вытаскивают. Требуется сравнить показания гальванометра, не вычисляя величину тока. Для ответа достаточно проследить, в какую сторону меняется магнитный поток.

1. При вдвигании магнита поток через катушку изменяется, и стрелка гальванометра отклоняется.
2. При вытаскивании поток изменяется в противоположном направлении по сравнению с вдвиганием.
3. Поэтому направление индукционного тока меняется, и стрелка отклоняется в противоположную сторону.

Ответ: показания прибора будут соответствовать противоположным направлениям тока. Точные величины отклонений без данных о скорости движения и устройстве катушки сравнить нельзя.

Изменение магнитного потока в числовой задаче

Условие. Круглый контур площадью 0,020 м² находится в однородном поле B = 0,50 Тл, перпендикулярном плоскости контура. За 0,10 с индукция становится равной нулю. Нужно найти изменение потока и решить, будет ли ток, если контур замкнут.

1. Поле перпендикулярно плоскости контура и направлено вдоль нормали, поэтому α = 0 и cos α = 1.
2. Начальный поток равен Φ₁ = BS = 0,50 · 0,020 = 0,010 Вб, а конечный Φ₂ = 0.
3. Изменение потока ΔΦ = Φ₂ − Φ₁ = −0,010 Вб. Знак показывает уменьшение потока; модуль изменения равен 0,010 Вб.
4. Поскольку контур замкнут, изменение потока вызывает в нём индукционный ток на протяжении изменения поля.

Ответ: ΔΦ = −0,010 Вб, модуль изменения равен 0,010 Вб; в замкнутом контуре возникнет ток. Время 0,10 с показывает, за какой промежуток меняется поток, но для нахождения силы тока одних этих данных недостаточно.

Типичные ошибки

• Считать, что ток вызывает само магнитное поле. Это ошибка, потому что поле может быть постоянным, а поток через контур — неизменным. Её легко допустить, если запомнить только опыт с магнитом, но не условие его движения. Проверьте себя: сравните поток в начале и в конце; если он не изменился, индукционный ток не возникает.
• Утверждать, что магнит обязательно должен двигаться. Так думают, потому что чаще всего ток показывают в опыте с движением магнита. Однако поток можно менять без движения магнита — например, изменением поля или поворотом контура. Для проверки перечислите, какие величины входят в Φ = BS cos α.
• Ожидать ток в разомкнутом контуре. Изменение потока может вызвать электрическое действие, но разрыв не позволяет зарядам пройти по полному пути. Путаница возникает, если не учитывать, что контур и ток — не одно и то же. Проверьте, есть ли непрерывный замкнутый проводящий путь.
• Связывать поток только с магнитной индукцией. Поле B — лишь один из факторов: значение потока зависит также от площади и ориентации контура. Ошибка возникает, если забыть множители S и cos α в формуле. Для проверки подставьте в формулу все три величины и выясните, какая из них меняется.

Связь с другими темами

Для понимания этой темы нужно знать, что магнитное поле характеризуется магнитной индукцией и действует на проводники с током. Также важно уметь находить площадь контура и угол между полем и нормалью к его поверхности: эти величины входят в формулу магнитного потока. Далее понятие изменения потока понадобится при изучении закона электромагнитной индукции и правила Ленца, которые позволяют описывать величину и направление возникающих эффектов. На этом явлении основан принцип действия генераторов.

Что запомнить

• Индукционный ток возникает в замкнутом контуре при изменении магнитного потока через него.
• Неподвижное магнитное поле само по себе не обязательно вызывает ток.
• Магнитный поток можно изменить, меняя магнитное поле, площадь контура или его ориентацию.
• Движение магнита относительно катушки — один из способов изменить магнитный поток.
• При изменении потока в противоположных направлениях меняется направление индукционного тока.
• В разомкнутом контуре индукционный ток не течёт.