"Физика (базовый уровень)", Мякишев Г.Я., Петрова М.А. и др.
Электромагнитная индукция объясняет возникновение электрического тока при изменении магнитного потока через контур. Поток меняется при движении магнита или контура, изменении площади и ориентации контура либо самого магнитного поля. Направление тока задаёт правило Ленца, а величину ЭДС — скорость изменения потока. Самоиндукция показывает, почему катушка сопротивляется быстрому изменению тока и запасает энергию в магнитном поле.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Магнитный поток Φ — величина, характеризующая магнитное поле, пронизывающее поверхность. Для однородного поля Φ = B S cos α, где B — магнитная индукция, S — площадь поверхности, а α — угол между полем и нормалью к ней. Формула показывает, что поток зависит не только от силы поля, но и от размера и ориентации поверхности.
Электромагнитная индукция — явление возникновения ЭДС индукции в замкнутом контуре при изменении магнитного потока через него. ЭДС означает работу сторонних сил по переносу единичного заряда. Это явление позволяет получать электрический ток за счёт изменения магнитного поля, а не только за счёт химического источника.
ЭДС индукции — ЭДС, возникающая при электромагнитной индукции. Она создаёт условия для движения зарядов и вызывает индукционный ток, если контур замкнут. В разомкнутом контуре ток не течёт, но между его концами может существовать разность потенциалов.
Самоиндукция — возникновение ЭДС индукции в цепи при изменении силы тока в этой же цепи. Меняющийся ток создаёт меняющееся магнитное поле, которое воздействует на собственную цепь. Это понятие нужно, чтобы объяснить поведение катушек при включении и выключении тока.
Изменение магнитного потока через контур приводит к появлению ЭДС индукции, потому что меняющееся магнитное поле порождает вихревое электрическое поле. Это поле действует на свободные заряды проводника и заставляет их перемещаться. Поток можно изменить тремя основными способами: изменить магнитную индукцию B, площадь контура S или его ориентацию в поле.
Направление индукционного тока определяется правилом Ленца: созданное током магнитное поле противодействует изменению потока, вызвавшему ток. Если поток внешнего поля увеличивается, контур создаёт поле, направленное против внешнего. Если поток уменьшается, индукционное поле поддерживает его прежнее направление, поэтому сначала нужно выяснить характер изменения потока.
Закон электромагнитной индукции записывают так: ε = −ΔΦ/Δt, а для мгновенного значения ε = −dΦ/dt. Модуль ЭДС равен скорости изменения магнитного потока: чем быстрее меняется поток, тем больше ЭДС. Знак минус не означает отрицательный результат при обычном расчёте модуля, а математически выражает правило Ленца и выбранное направление обхода контура.
При изменении тока в катушке изменяется и магнитное поле, создаваемое её витками. Поэтому меняется магнитный поток через витки самой катушки, и в ней возникает ЭДС самоиндукции. Она направлена против изменения тока: при нарастании тока препятствует его увеличению, а при уменьшении стремится поддержать ток.
Энергия при самоиндукции запасается в магнитном поле катушки. При включении цепи источник тратит часть энергии не только на сопротивление проводников, но и на создание этого поля. Поэтому ток с катушкой нарастает постепенно, а после отключения не исчезает мгновенно: магнитное поле уменьшается и возвращает запасённую энергию цепи.
Таблица помогает различить внешнее изменение магнитного потока и изменение тока в самой цепи. Для определения направления сначала находят изменение потока, а затем применяют правило Ленца.
| Явление или величина | Что изменяется | Причина возникновения ЭДС | Направление или проявление |
|---|---|---|---|
| Электромагнитная индукция | Магнитный поток через контур | Изменение магнитного потока | Направление тока — по правилу Ленца |
| Самоиндукция | Сила тока в цепи | Изменение магнитного поля самой цепи | ЭДС препятствует изменению тока |
Задача 1. Магнитный поток изменился с 0,02 Вб до 0,08 Вб за 0,03 с. Найдём модуль средней ЭДС индукции. Здесь важно использовать именно изменение потока, а не его конечное значение.
Задача 2. Северный полюс магнита приближают к замкнутому кольцу. Определим направление тока, если смотреть со стороны магнита. Приближение увеличивает поток магнитного поля магнита через кольцо.
Задача 3. Ток в катушке равномерно изменяется от 0 до 2 А за 0,1 с, индуктивность катушки L = 0,4 Гн. Найдём ЭДС самоиндукции и её направление. Равномерность изменения позволяет использовать отношение приращения тока ко времени.
Ошибка — считать, что индукционный ток возникает только при движении магнита. Так думают, потому что движение является самым наглядным способом изменить поток. Проверьте себя: поток может меняться также при изменении поля, площади или наклона контура.
Ошибка — определять направление тока только по направлению магнитного поля. Одного направления поля недостаточно: нужно знать, увеличивается поток или уменьшается. Сначала сравните начальное и конечное состояния, затем примените правило Ленца и правую руку.
Ошибка — забывать знак минус в законе индукции или использовать его при нахождении модуля. Минус показывает физическое направление ЭДС, а модуль вычисляют как |ε| = |ΔΦ|/Δt. Проверьте, отделили ли вы расчёт величины от определения направления.
Ошибка — полагать, что ЭДС самоиндукции всегда уменьшает ток. На самом деле она противодействует изменению: при росте тока мешает росту, а при убывании поддерживает ток. Спросите себя, увеличивается ток или уменьшается, и только потом определяйте направление ЭДС.
Для понимания индукции нужны представления о магнитном поле, магнитной индукции, магнитном потоке и силе тока. Без этих понятий трудно установить, что именно меняется в контуре и почему возникает ЭДС.
Закон электромагнитной индукции лежит в основе работы генераторов электрического тока и трансформаторов. В генераторе механическое движение изменяет поток, а трансформатор использует переменное магнитное поле для передачи энергии между катушками.
Самоиндукция и энергия магнитного поля важны при изучении колебательных контуров. Вместе с энергией электрического поля конденсатора энергия катушки участвует в электромагнитных колебаниях.
Почему ток возникает, если магнитный поток через контур меняется?
Изменяющееся магнитное поле создаёт вихревое электрическое поле, действующее на свободные заряды в проводнике. Под его действием в замкнутом контуре возникает ЭДС, а затем индукционный ток.
Можно ли получить индукционный ток, не перемещая магнит?
Да. Достаточно изменить силу магнитного поля, площадь контура или его ориентацию в поле. Например, ток появится при изменении тока в соседней катушке.
Как понять, в какую сторону направлен индукционный ток?
Сначала определяют, увеличивается или уменьшается магнитный поток через контур. Затем по правилу Ленца устанавливают, какое поле должен создать ток, и по правилу правой руки находят его направление.
Почему ЭДС самоиндукции препятствует изменению тока?
Изменение тока меняет магнитное поле катушки, а значит, магнитный поток через её витки. Возникающая ЭДС направлена так, чтобы ослабить это изменение и сохранить прежнее состояние цепи.
Чем электромагнитная индукция отличается от самоиндукции?
При электромагнитной индукции поток через контур изменяется из-за внешнего поля или движения элементов системы. При самоиндукции причиной служит изменение тока в самой цепи и созданного ею магнитного поля.
ЭЛЕКТРОДИНАМИКА (ПРОДОЛЖЕНИЕ)
