§ 5.1. Открытие электромагнитной индукции

Определения и обозначения

Электромагнитная индукция — явление возникновения электрического тока в замкнутом проводнике при изменении магнитного потока через ограниченную им поверхность. Иными словами, магнитное поле может вызвать ток, если его воздействие на контур меняется. Это явление позволяет получать электрический ток с помощью движения или изменения магнитного поля.

Индукционный ток — электрический ток, возникающий в проводнике вследствие электромагнитной индукции. Он существует, пока меняется магнитный поток, поэтому может быть кратковременным. Это название помогает отличать ток, вызванный изменением магнитного поля, от тока, создаваемого, например, батарейкой.

Магнитный поток Φ — величина, характеризующая магнитное поле, пронизывающее контур. Для однородного поля и плоского контура Φ = BS cos α, где B — магнитная индукция, S — площадь контура, α — угол между полем и перпендикуляром к плоскости контура. Эта формула показывает, что поток меняется при изменении поля, площади или ориентации контура.

Гальванометр — чувствительный прибор для обнаружения слабого электрического тока и определения его направления. В опытах с катушкой стрелка прибора отклоняется, когда по ней проходит индукционный ток. Поэтому гальванометр позволяет увидеть эффект даже тогда, когда ток слишком мал для обычного наблюдения.

Как это устроено

В 1820 году Ханс Кристиан Эрстед обнаружил, что электрический ток действует на магнитную стрелку. Это показало связь электрических и магнитных явлений и подсказало учёным обратную задачу: может ли магнитное поле создавать электрический ток? Майкл Фарадей искал способ проверить эту идею на опыте. Для этого он соединил провод катушки с гальванометром, чтобы прибор показывал, появляется ли ток.

Когда Фарадей приближал магнит к катушке или удалял его, стрелка гальванометра отклонялась. При неподвижном магните стрелка возвращалась к нулю, хотя магнитное поле рядом с катушкой сохранялось. Значит, сам факт присутствия магнитного поля не объясняет появление тока: решающее условие — изменение магнитного потока через катушку. Ток возникал именно в промежутки, когда магнитное воздействие на контур менялось.

Получить тот же эффект можно, если оставить магнит на месте и двигать катушку. Важно относительное изменение магнитного поля и контура, а не то, какая именно часть установки перемещается. Меняется положение катушки в поле — меняется и магнитный поток через неё. Поэтому показания гальванометра возникают при движении катушки так же, как при движении магнита.

Фарадей также использовал две катушки: одну подключал к источнику тока, а другую — к гальванометру. При включении или выключении тока в первой катушке стрелка во второй отклонялась, но при постоянном токе оставалась неподвижной. При включении магнитное поле первой катушки нарастало, а при выключении — исчезало, и в обоих случаях магнитный поток через соседнюю катушку менялся. Так выяснилось, что магнитное поле для индукции не обязательно создавать постоянным магнитом.

Магнитный поток можно изменить разными способами: изменить магнитную индукцию B, площадь контура S или угол α в формуле Φ = BS cos α. Например, поворот катушки меняет её ориентацию относительно поля, даже если поле и площадь остаются прежними. Все эти способы объединяет одно условие — поток через контур не остаётся постоянным. Опыты Фарадея показали, что изменение магнитного потока вызывает индукционный ток в замкнутой цепи.

Что меняли в опытах Фарадея и что наблюдали

Сравнивайте прежде всего, что именно менялось в каждом опыте и когда отклонялась стрелка. Если магнитный поток не менялся, индукционного тока не наблюдали. Таблица помогает увидеть общий вывод за разными способами проведения опыта.

Разбор задач

Задача. Катушка замкнута через гальванометр. Сначала магнит неподвижно держат рядом с ней, затем вдвигают внутрь и оставляют неподвижным. В какой момент возникает индукционный ток и почему? Числовые вычисления здесь не нужны: нужно определить, меняется ли магнитный поток через контур.

1. Выясним, что показывает прибор. Гальванометр реагирует на ток в цепи, а ток появляется, если магнитный поток через замкнутую катушку меняется. Значит, для каждого этапа нужно проверить, меняется ли положение магнита относительно катушки.

2. Рассмотрим магнит до движения. Пока магнит неподвижен рядом с катушкой, поле через контур не меняется. Само наличие поля не создаёт индукционный ток, поэтому гальванометр не показывает отклонения.

3. Рассмотрим вдвигание магнита. При движении магнита поле, пронизывающее катушку, изменяется, а вместе с ним меняется магнитный поток Φ. В этот промежуток времени в замкнутой цепи возникает индукционный ток, и стрелка гальванометра отклоняется.

4. Рассмотрим магнит после остановки. Когда магнит снова неподвижен относительно катушки, поток перестаёт меняться. Индукционный ток прекращается, и стрелка возвращается к нулю, хотя магнит остаётся внутри катушки.

Ответ: индукционный ток возникает во время вдвигания магнита, когда меняется магнитный поток через катушку. До начала движения и после остановки магнита ток не возникает, если положение установки и поле остаются неизменными.

Типичные ошибки

• Ошибка: считать, что любой магнит рядом с катушкой создаёт ток. Так думают, потому что смешивают наличие магнитного поля и его изменение. Проверь себя: если магнит и катушка неподвижны, поток постоянен, и гальванометр не должен показывать индукционный ток.

• Ошибка: полагать, что двигаться должен только магнит. В таком случае упускают, что важна перемена магнитного потока, а её можно вызвать и движением катушки. Проверь себя: мысленно поменяй местами движущийся магнит и катушку — если их взаимное положение меняется, меняется и поток.

• Ошибка: ожидать постоянный ток после остановки движения. Обычно это происходит из-за того, что замечают ток при движении, но не связывают его с изменением потока. Проверь себя: после остановки магнита поле может оставаться, но поток уже не меняется, поэтому индукционный ток прекращается.

• Ошибка: забывать, что для тока нужен замкнутый проводник. Изменение потока может вызвать электрическое действие, но в разомкнутой цепи ток не сможет непрерывно пройти по контуру. Проверь себя: проследи по проводу полный путь от одного конца цепи до другого и обратно.

Связь с другими темами

Открытие электромагнитной индукции стало продолжением опытов Эрстеда: сначала обнаружили действие электрического тока на магнит, затем нашли обратное явление — возникновение тока при изменении магнитного поля. Понятие магнитного потока связывает индукцию с характеристиками магнитного поля, геометрией и ориентацией контура. Практическое применение этого явления — генератор, в котором движение проводника или катушки в магнитном поле позволяет получать электрический ток. Поэтому тема соединяет изучение магнитных явлений с устройством источников электрической энергии.

Что запомнить

• Электромагнитную индукцию открыл Майкл Фарадей в 1831 году.
• Индукционный ток возникает в замкнутом контуре при изменении магнитного потока через него.
• Неподвижное магнитное поле само по себе не вызывает индукционный ток.
• Поток можно изменить, меняя магнитное поле, площадь контура или его ориентацию.
• Двигать можно магнит или катушку; важно изменение магнитного потока.
• Гальванометр обнаруживает слабый ток и показывает его направление.