§ 63. Опыты Фарадеи. Электромагнитная индукции

Определения и обозначения

Электромагнитная индукция — возникновение электрического тока в замкнутой цепи при изменении магнитного поля, пронизывающего её. Иначе говоря, электрический ток можно получить не только от батарейки: причиной может стать меняющееся магнитное поле. Это явление помогает объяснить работу генераторов.

Индукционный ток — ток, возникающий в замкнутой цепи вследствие электромагнитной индукции. Он существует лишь пока магнитное поле через цепь меняется. Это уточнение помогает отличить индукционный ток от постоянного тока, который поддерживает источник.

Индукционная ЭДС — напряжение, возникающее в цепи при электромагнитной индукции и способное вызвать индукционный ток. ЭДС можно представить как причину, которая приводит заряды в движение. Если цепь замкнута, под действием этого напряжения в ней появляется ток.

Магнитный поток — мера магнитного поля, проходящего через поверхность контура. Он зависит от поля и от того, как контур расположен относительно него. Для возникновения индукции важно изменение магнитного потока, поэтому этот термин связывает наблюдения Фарадея с причиной появления тока.

Как это устроено

Подключим катушку к гальванометру — прибору, который обнаруживает слабый ток и показывает его направление. Когда магнит движется относительно катушки, стрелка отклоняется: поле через витки меняется, и в цепи появляется индукционный ток. Если магнит остановить, изменение прекратится, поэтому ток исчезнет. Значит, важна не близость магнита сама по себе, а изменение магнитного поля через катушку.

В другом опыте две катушки располагают рядом: первую соединяют с источником тока, а вторую — с гальванометром. При замыкании цепи первой катушки ток в ней нарастает, и создаваемое им магнитное поле тоже меняется. Это изменение проходит через витки второй катушки и вызывает в ней кратковременный ток. При размыкании поля снова меняются, поэтому прибор также показывает ток.

Для индукционного тока требуется изменение магнитного потока через контур. Его можно вызвать не только движением магнита: достаточно переместить катушку, изменить силу магнитного поля или повернуть контур. Во всех случаях меняется магнитное поле, проходящее через поверхность, ограниченную проводом. Если поток остаётся прежним, индукции нет.

Направление тока зависит от того, как изменяется магнитное поле через катушку. Когда магнит приближают, поток меняется одним образом, а при удалении — противоположным; поэтому направление тока меняется. В опыте это видно по отклонению стрелки гальванометра в разные стороны. Само направление движения не является отдельной причиной: оно важно потому, что определяет характер изменения потока.

При более быстром движении магнита магнитный поток за то же время изменяется сильнее, поэтому индукционная ЭДС и проявление тока заметнее. Если витков в катушке больше, изменение поля действует на большее число витков. Поэтому при прочих равных условиях гальванометр отклоняется сильнее. Это позволяет усилить эффект, не меняя сам магнит.

Опыты Фарадея и возникновение индукционного тока

Сравнивай в таблице не только наличие магнита, но и то, меняется ли магнитный поток через контур. Столбец с наблюдением показывает, что именно обнаруживает гальванометр. По последнему столбцу можно сформулировать общий вывод из опытов.

Разбор задач

Задача 1

Магнит вдвигают в катушку, соединённую с гальванометром. Объясним, почему стрелка отклоняется и что произойдёт, если магнит остановить.

1. При движении магнита меняется магнитное поле, проходящее через витки катушки.
2. Из-за изменения магнитного потока в замкнутой цепи возникает индукционная ЭДС, а затем индукционный ток.
3. Гальванометр обнаруживает ток, поэтому его стрелка отклоняется. Когда магнит остановится, поток перестанет меняться и отклонение прекратится.

Ответ: стрелка отклоняется из-за изменения магнитного потока; неподвижный магнит не поддерживает индукционный ток.

Задача 2

Магнит сначала приближают к катушке, а затем удаляют. Нужно сравнить направления индукционного тока.

1. При приближении магнита магнитный поток через катушку изменяется в одном направлении.
2. При удалении поток изменяется противоположным образом, хотя магнит остаётся тем же.
3. Поэтому направление индукционного тока при удалении отличается от направления при приближении. На опыте это проявится отклонением стрелки гальванометра в противоположную сторону.

Ответ: при удалении магнита направление тока меняется на противоположное по сравнению с приближением.

Задача 3

Сравним две одинаковые катушки с разным числом витков: один и тот же магнит одинаково быстро перемещают относительно каждой. Нужно определить, где эффект будет заметнее.

1. В обоих опытах магнитное поле меняется одинаковым образом, поскольку магнит и скорость его движения одинаковы.
2. Однако в катушке с большим числом витков изменение магнитного потока охватывает больше витков.
3. Поэтому индукционная ЭДС и ток проявляются сильнее, а отклонение гальванометра будет заметнее.

Ответ: эффект заметнее в катушке с большим числом витков, потому что индукция проявляется в каждом витке.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что ток вызывает само присутствие магнита. Магнит действительно создаёт поле, но постоянное поле при неизменном положении не вызывает индукционного тока. Так думают, потому что смешивают причину поля и причину тока. Проверь себя: спроси, меняется ли магнитный поток через контур.

Ошибка: ожидать ток от неподвижного магнита рядом с неподвижной катушкой. В такой ситуации поле через катушку не меняется, поэтому нет индукционной ЭДС. Ошибка возникает, если помнить только о наличии магнита. Для проверки сравни положение магнита и катушки в разные моменты времени.

Ошибка: считать, что направление тока определяется просто тем, куда движется магнит. Направление связано с изменением магнитного поля: приближение и удаление дают противоположные изменения потока. Это путают, если не учитывать, что происходит с полем через контур. Проверь себя, сравнив движение магнита к катушке и от неё.

Ошибка: думать, что двигать можно только магнит. Индукция возникает при изменении магнитного потока, а его можно изменить и движением катушки, и изменением поля. Привычный опыт с движущимся магнитом может создать неверное впечатление. Проверь себя: мысленно оставь магнит неподвижным, но перемести катушку — поле через неё изменится.

Связь с другими темами

Для понимания опытов Фарадея нужно знать, что ток обнаруживают по его действиям, например по отклонению стрелки прибора. Также нужно помнить, что магниты и электрические токи создают магнитное поле. Эти знания помогают увидеть связь электрических и магнитных явлений: изменение поля может вызвать ток. Электромагнитная индукция используется в генераторах, превращающих движение в электрическую энергию, и помогает понять её получение на электростанциях.

Что запомнить

• Индукционный ток возникает при изменении магнитного потока через замкнутый контур.
• Неподвижный магнит рядом с неподвижной катушкой сам по себе индукционного тока не создаёт.
• Изменить магнитный поток можно движением магнита или катушки либо изменением магнитного поля.
• При изменении направления движения магнита направление индукционного тока меняется.
• Быстрое изменение магнитного потока усиливает проявление индукции.
• Увеличение числа витков катушки делает эффект заметнее.