"Физика (базовый уровень)", Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Чаругин В.М. / Под ред. Парфентьевой Н.А.
Электромагнитная индукция — появление ЭДС и тока в замкнутом проводящем контуре, когда меняется магнитное поле, пронизывающее его. Фарадей обнаружил это явление, перемещая магнит относительно катушки и наблюдая за гальванометром. Ток появляется не от самого присутствия магнита, а при изменении поля; получить его можно также движением катушки. Направление тока зависит от характера изменения поля, а быстрота изменения влияет на величину тока.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Электромагнитная индукция — возникновение электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного поля, пронизывающего контур. Иными словами, магнитное поле может вызвать упорядоченное движение зарядов, если оно меняется. Это явление позволяет получать электрический ток, не подключая контур к батарее.
Индукционный ток — ток, возникающий в замкнутом проводящем контуре при электромагнитной индукции. Он появляется, пока магнитное поле через контур изменяется, а не просто потому, что рядом находится магнит. Понятие помогает отличать ток, вызванный изменением поля, от тока, созданного обычным источником.
ЭДС индукции — электродвижущая сила, возникающая в контуре при электромагнитной индукции. Она связана с изменением магнитного поля в контуре и обеспечивает движение зарядов, если цепь замкнута. ЭДС может возникнуть и в разомкнутом контуре, но тогда непрерывного тока по нему нет.
Майкл Фарадей искал способ получить электрический ток с помощью магнитного поля и проверял разные сочетания катушек и магнитов. В опытах катушку соединяли с гальванометром — прибором, который показывает наличие тока по отклонению стрелки. Когда стрелка отклонялась, это означало, что в цепи появился ток; отсутствие отклонения показывало, что тока прибор не обнаружил. Так удалось связать появление тока с изменением условий магнитного поля.
Если приближать магнит к катушке, стрелка гальванометра отклоняется, а при удалении магнита тоже появляется ток. Когда магнит удерживают неподвижно, стрелка возвращается к нулю: поле в катушке больше не меняется. Значит, сам магнит не служит постоянным источником тока в катушке. Причина индукции — изменение магнитного поля, которое пересекает контур.
Магнит можно оставить на месте и перемещать катушку: наблюдение будет таким же, если поле в контуре меняется. Относительное движение изменяет, какая часть магнитного поля пронизывает витки катушки. Поэтому несущественно, какое именно тело движется — магнит или проводник. Для объяснения эффекта нужно следить за изменением поля в контуре.
Если к катушке приближать северный полюс магнита, стрелка отклоняется в одну сторону, а при удалении — в другую. Если заменить северный полюс южным и снова приблизить магнит, направление отклонения также изменится. При изменении движения или полюса поле в катушке изменяется противоположным образом. Следовательно, направление индукционного тока зависит от того, как именно меняется поле; его точное определение изучают с помощью правила Ленца.
При быстром движении магнита стрелка отклоняется сильнее, чем при медленном. За одно и то же время быстрое движение успевает заметнее изменить поле в катушке, поэтому увеличиваются ЭДС и ток. Наконец, ток можно обнаружить только в замкнутой цепи: зарядам нужен непрерывный путь. В разомкнутом контуре изменение поля может создать ЭДС, но ток по цепи не течёт.
| Опыт | Что изменяют | Наблюдение | Вывод |
|---|---|---|---|
| Магнит движется относительно катушки | Положение магнита относительно катушки | При движении стрелка гальванометра отклоняется | Изменение поля вызывает индукционный ток |
| Магнит и катушка неподвижны | Ничего: поле остаётся неизменным | Стрелка не отклоняется | Одного присутствия магнита недостаточно |
| Меняют направление движения или полюс магнита | Характер изменения поля | Меняется направление отклонения стрелки | Направление тока зависит от изменения поля |
| Изменяют быстроту движения магнита | Скорость изменения поля | При быстром движении отклонение заметнее | Быстрота изменения поля влияет на величину тока |
| Катушку замыкают или оставляют разомкнутой | Наличие замкнутого пути для зарядов | В замкнутой цепи есть ток, в разомкнутой — нет | Для индукционного тока нужен замкнутый контур |
Сравнивайте в таблице не только движение магнита, но и то, меняется ли поле в контуре. Затем отдельно проверяйте направление изменения поля и замкнутость цепи. Так можно отличить условия появления тока от условий, влияющих на его направление и величину.
Задача 1. Катушку соединяют с гальванометром. Магнит сначала приближают к катушке, затем удерживают неподвижно. В каком случае прибор покажет ток?
Сначала выясним, меняется ли магнитное поле в катушке. При приближении магнита его поле, пронизывающее витки, изменяется.
Изменение поля вызывает ЭДС индукции. Поскольку катушка соединена с гальванометром в замкнутую цепь, по ней проходит ток и стрелка отклоняется.
Когда магнит перестают двигать, поле становится постоянным. Индукционный ток прекращается, поэтому гальванометр не показывает отклонения.
Ответ: ток прибор покажет во время приближения магнита, но не при его неподвижном положении.
Задача 2. Магнит удаляют от катушки, а затем вместо северного полюса к катушке обращают южный и снова приближают магнит. Сравните направления отклонения стрелки гальванометра.
При удалении северного полюса поле в катушке меняется так, что возникает ток определённого направления. Направление задаётся не тем, что магнит просто движется, а тем, как именно меняется поле.
Теперь магнит приближают, но обращают к катушке южный полюс. Замена полюса меняет направление поля, а приближение меняет его во времени.
В этой ситуации характер изменения поля противоположен прежнему случаю удаления северного полюса. Поэтому ЭДС индукции и ток направлены иначе, а стрелка отклоняется в противоположную сторону.
Ответ: направления отклонения противоположны, поскольку в двух опытах магнитное поле в катушке изменяется по-разному.
Задача 3. Один и тот же магнит медленно, а затем быстро вводят в катушку с замкнутой цепью. Сравните отклонение гальванометра и объясните результат.
В обоих опытах магнит входит в катушку, поэтому направление изменения поля одинаково. Значит, направление тока и отклонения стрелки будет одним и тем же.
При быстром введении поле успевает сильнее измениться за то же время. Поэтому ЭДС индукции и величина тока становятся больше.
Более сильный ток вызывает более заметное отклонение стрелки гальванометра. При медленном введении изменение поля за время движения меньше, поэтому отклонение слабее.
Ответ: при быстром введении стрелка отклонится сильнее, но в ту же сторону, что и при медленном.
Ошибка: считать, что индукционный ток возникает только при движении магнита. Такое представление появляется потому, что именно магнит обычно перемещают в опыте Фарадея. Проверь себя: двигай катушку при неподвижном магните — если поле в контуре меняется, индукция тоже возможна.
Ошибка: полагать, что ток сохраняется при неподвижном магните. Стрелка может отклониться во время движения и создать впечатление, что ток должен остаться. Но при неизменном поле индукционный ток прекращается; сравни показания во время движения и после остановки.
Ошибка: думать, что для тока достаточно держать магнит рядом с катушкой. Магнитное поле действительно есть, но само по себе постоянное поле не вызывает индукционный ток. Для проверки спроси себя, меняется ли поле в контуре, а не просто присутствует ли магнит.
Ошибка: путать величину тока с его направлением. Быстрота изменения поля влияет на величину, а смена направления движения или полюса меняет направление тока. Чтобы не смешивать эти эффекты, сравнивай отдельно силу отклонения стрелки и сторону, в которую она отклоняется.
Для понимания опыта нужны знания об электрическом токе, замкнутой цепи и магнитном поле, в том числе поле тока. Они помогают понять, что показывает гальванометр и почему для тока нужен замкнутый путь. Открытие Фарадея подготавливает к изучению закона электромагнитной индукции и правила Ленца, которые позволяют количественно описывать явление и находить направление тока. Принцип индукции используют в генераторах электрического тока и трансформаторах.
Почему неподвижный магнит не вызывает ток в катушке?
Если магнит неподвижен относительно катушки, магнитное поле в ней не меняется. Поэтому ЭДС индукции и индукционный ток не возникают.
Возникнет ли индукционный ток, если двигать катушку, а магнит оставить неподвижным?
Да, если при движении катушки меняется магнитное поле, пронизывающее её контур. Для возникновения индукции неважно, движется магнит или катушка.
Почему при изменении направления движения магнита меняется направление тока?
При смене направления движения магнитное поле в катушке начинает изменяться иначе. В результате меняется направление ЭДС индукции и тока.
Как быстрота движения магнита влияет на индукционный ток?
Чем быстрее магнит движется относительно катушки, тем быстрее меняется магнитное поле в ней. Поэтому величина ЭДС и тока становится больше, а стрелка гальванометра отклоняется заметнее.
Можно ли обнаружить индукционный ток в разомкнутой цепи?
В разомкнутой цепи ток не течёт, потому что для движения зарядов нужен замкнутый путь. При изменении магнитного поля в контуре может возникнуть ЭДС индукции, но ток гальванометром обнаружить не получится.
§ 8. Открытие электромагнитной индукции
