Явление электромагнитной индукции

Определения и обозначения

Электромагнитная индукция — возникновение электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока через контур. Иначе говоря, изменяющееся магнитное воздействие заставляет свободные заряды двигаться. Это явление позволяет получать электрическую энергию с помощью генераторов.

Индукционный ток — ток, возникающий в замкнутом контуре вследствие электромагнитной индукции. Он существует, пока магнитный поток изменяется, и исчезает после прекращения изменения. По индукционному току можно судить о направлении изменения магнитного поля.

Магнитный поток — физическая величина, характеризующая магнитное поле, пронизывающее поверхность контура; обозначается Φ. Чем сильнее поле, больше площадь контура и удачнее его положение относительно поля, тем больше поток. Именно изменение Φ является причиной появления ЭДС индукции.

ЭДС индукции — работа сторонних сил по перемещению единичного заряда при электромагнитной индукции; обозначается εᵢ. Она показывает, насколько сильно изменяющееся поле стремится перемещать заряды по контуру. Если контур замкнут, ЭДС создаёт индукционный ток.

Как это устроено

Если подносить магнит к замкнутой катушке, стрелка гальванометра отклоняется, а при остановке магнита возвращается к нулю. При удалении магнита стрелка отклоняется в противоположную сторону. Значит, ток появляется не из-за самого магнита, а во время его относительного движения с катушкой, когда меняется воздействие поля на контур.

Неподвижный магнит не создаёт индукционного тока, потому что магнитный поток через неподвижную катушку остаётся постоянным. Заряды в проводнике могут двигаться хаотически, но направленного движения под действием индукционной ЭДС нет. Когда поток начинает изменяться, в контуре возникает ЭДС, а в замкнутой цепи она вызывает ток.

Величина индукционного тока зависит от того, как быстро меняется магнитный поток: быстрое движение магнита даёт большую ЭДС. Сильное магнитное поле также обычно создаёт большее изменение потока. Увеличение числа витков усиливает суммарную ЭДС, потому что изменение охватывает каждый виток, а сопротивление цепи, наоборот, уменьшает ток по закону Ома.

Направление тока определяют по правилу Ленца. Возникающее магнитное поле всегда противодействует изменению магнитного потока: при увеличении потока оно направлено навстречу этому увеличению, а при уменьшении поддерживает прежнее поле. Связь величины ЭДС со скоростью изменения потока выражает закон электромагнитной индукции: εᵢ = −ΔΦ/Δt для одного витка. Знак «минус» указывает именно на правило Ленца, а модуль ЭДС находят как |εᵢ| = |ΔΦ|/Δt.

Условия возникновения и характеристики индукционного тока

Сначала определите, изменяется ли магнитный поток, затем установите, замкнут ли контур. Для направления тока выясните, поток увеличивается или уменьшается, и примените правило Ленца.

Разбор задач

Задача 1

Северный полюс магнита приближают к замкнутой катушке. Нужно определить направление магнитного поля индукционного тока со стороны магнита. Приближение увеличивает магнитный поток через катушку, поэтому её поле должно препятствовать этому изменению.

1. По правилу Ленца катушка должна отталкивать приближающийся магнит.
2. Отталкивать северный полюс может только северный полюс катушки.
3. Следовательно, со стороны магнита магнитное поле катушки направлено так, будто ближний торец является северным полюсом.

Ответ: поле индукционного тока со стороны магнита направлено наружу из северного торца катушки; ближний торец становится северным полюсом.

Задача 2

Поток через одновитковый контур уменьшился с 0,08 до 0,02 Вб за 0,3 с, сопротивление контура равно 4 Ом. Найдём сначала изменение потока, затем ЭДС и ток. Берём модули, потому что требуется численное значение.

1. |ΔΦ| = 0,08 − 0,02 = 0,06 Вб.
2. |εᵢ| = |ΔΦ|/Δt = 0,06/0,3 = 0,2 В.
3. I = εᵢ/R = 0,2/4 = 0,05 А.

Ответ: модуль ЭДС индукции равен 0,2 В, сила тока — 0,05 А, или 50 мА.

Задача 3

Катушка содержит 200 витков, её площадь 0,01 м². Поле перпендикулярно плоскости витков, поэтому поток одного витка вычисляется как Φ = BS. Индукция выросла от 0,1 до 0,5 Тл за 0,2 с, сопротивление катушки равно 8 Ом.

1. |ΔB| = 0,5 − 0,1 = 0,4 Тл.
2. Изменение потока одного витка: |ΔΦ| = S|ΔB| = 0,01 · 0,4 = 0,004 Вб.
3. |εᵢ| = N|ΔΦ|/Δt = 200 · 0,004/0,2 = 4 В.
4. I = εᵢ/R = 4/8 = 0,5 А.
5. Так как поток увеличивается, поле катушки по правилу Ленца направлено против внешнего поля.

Ответ: ЭДС индукции равна 4 В, сила тока — 0,5 А; направление определяется так, чтобы ослабить увеличение внешнего потока.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что ток возникает просто из-за наличия магнитного поля. Её допускают, потому что путают сильное поле с изменяющимся полем. Проверьте себя: спросите, меняется ли Φ через контур.

Ошибка: забывать о замкнутости цепи. При изменении потока в разомкнутом контуре ЭДС есть, но заряды не могут двигаться по полному пути. Проверьте, соединены ли все участки цепи.

Ошибка: определять направление тока только по движению магнита. Одного слова «приближается» недостаточно: нужно установить, увеличивается или уменьшается поток, а затем применить правило Ленца.

Ошибка: не учитывать число витков катушки. Если поток изменяется во всех витках, суммарная ЭДС в N раз больше ЭДС одного витка. Перед вычислением проверьте, указано ли N и относится ли изменение к каждому витку.

Связь с другими темами

Для изучения явления нужны знания о магнитном поле тока, магнитной индукции и силовых линиях. Также пригодятся понятия электрического тока, напряжения и закон Ома, связывающий ЭДС, сопротивление и силу тока.

Электромагнитная индукция объясняет работу генераторов электрического тока: механическое вращение вызывает изменение потока и получение электрической энергии. На этом же принципе основана работа трансформаторов и многих индукционных датчиков.

При изучении электромагнитных колебаний и переменного тока станет понятно, почему изменение магнитного поля позволяет получать переменное напряжение. Поэтому индукция связывает магнитные явления с электрическими цепями переменного тока.

Что запомнить

• Электромагнитная индукция — возникновение тока при изменении магнитного потока через замкнутый контур.
• Неподвижный магнит в неподвижной катушке не вызывает индукционного тока.
• Чем быстрее изменяется магнитный поток, тем больше ЭДС индукции.
• ЭДС индукции определяется законом εᵢ = −ΔΦ/Δt.
• Число витков катушки увеличивает ЭДС индукции.
• Направление индукционного тока определяется правилом Ленца.
• Индукционный ток создаёт магнитное поле, противодействующее изменению магнитного потока.