§ 28. Электромагнитная индукция

Определения и обозначения

Электромагнитная индукция — возникновение электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного поля около него. Иначе говоря, магнитное воздействие меняется, и в проводнике появляется упорядоченное движение зарядов. Это определение помогает отличать сам факт существования поля от его изменения.

Индукционный ток — ток, возникающий в замкнутом контуре вследствие электромагнитной индукции. Он не поддерживается батарейкой, а появляется из-за изменения магнитного воздействия. По нему можно судить, происходит ли в опыте электромагнитная индукция.

Индукционная катушка — катушка из проводника, в которой можно обнаружить индукционный ток. Большое число витков позволяет заметнее проявить действие изменяющегося магнитного поля. Катушку соединяют с гальванометром, чтобы увидеть результат опыта.

Индукционный ток в замкнутом контуре — ток, существующий только при изменении магнитного воздействия на контур. Когда изменение прекращается, ток исчезает, даже если магнит остаётся рядом. Поэтому замкнутость цепи и изменение поля являются двумя необходимыми условиями.

Как это устроено

В опыте катушку соединяют проводами с гальванометром — прибором для обнаружения очень слабого тока и его направления. В катушку вдвигают постоянный магнит или выдвигают его из неё. Катушка служит проводящим контуром, магнит изменяет поле в области витков, а гальванометр показывает результат этого изменения.

Когда магнит движется относительно катушки, поле через её витки изменяется. Это изменение вызывает появление электрического тока в замкнутом проводнике, поэтому стрелка гальванометра отклоняется. Если магнит остановить, поле около неподвижной катушки перестаёт меняться, и стрелка возвращается к нулю.

При вдвигании магнита магнитное воздействие на катушку усиливается, а при выдвигании ослабевает. Изменения направлены противоположно, поэтому заряды в катушке движутся в противоположных направлениях. В результате стрелка при внесении и удалении магнита отклоняется в разные стороны.

Быстрое движение магнита за одинаковое время сильнее изменяет магнитное воздействие, чем медленное. Поэтому за это время в катушке возникает больший индукционный ток, и отклонение стрелки становится заметнее. При очень медленном движении изменение происходит слабее, поэтому показание меньше.

Опыты Фарадея показывают, что причиной тока является именно изменение магнитного поля. Если магнит неподвижен, ток не обнаруживается, хотя поле рядом с катушкой существует. Тот же результат получают, двигая катушку около неподвижного магнита или изменяя поле другим способом: решающим является не наличие магнита, а изменение магнитного воздействия.

Условия возникновения индукционного тока

Пользуясь таблицей, сначала выясните, меняется ли магнитное воздействие на катушку. Затем проверьте, замкнут ли контур, и определите направление изменения. Чем быстрее оно происходит, тем больше обычно отклонение стрелки.

Разбор задач

Задача 1. Неподвижный магнит

Условие. Определите, возникнет ли ток в замкнутой катушке, если постоянный магнит неподвижно находится рядом с ней. Нужно отличить наличие магнитного поля от его изменения.

1. Магнит действительно создаёт поле около катушки.
2. Однако магнит и катушка неподвижны, поэтому поле относительно витков не меняется.
3. Замкнутость цепи сама по себе не создаёт ток без изменяющегося магнитного воздействия.

Ответ: индукционный ток не возникнет, а стрелка гальванометра останется около нулевого положения.

Задача 2. Медленное и быстрое движение

Условие. Сравните показания гальванометра при медленном и быстром вдвигании одинакового магнита в одну и ту же катушку. Определите, в каком случае ток будет больше.

1. В обоих случаях магнит входит в катушку, поэтому направление тока будет одинаковым.
2. При быстром движении магнитное воздействие изменяется за меньшее время.
3. Более быстрое изменение вызывает больший индукционный ток, поэтому стрелка отклоняется сильнее.

Ответ: при быстром вдвигании ток будет больше, а отклонение стрелки — заметнее.

Задача 3. Направление тока

Условие. Объясните, почему при вдвигании магнита стрелка отклоняется в одну сторону, а при выдвигании — в другую. Опишите также результат движения катушки вместо магнита.

1. При вдвигании магнитное воздействие на витки усиливается.
2. При выдвигании оно ослабевает, то есть изменение происходит в противоположном направлении.
3. Поэтому направление индукционного тока и отклонение стрелки меняются на противоположные.
4. Если двигать катушку около неподвижного магнита, поле относительно катушки тоже изменится.

Ответ: при выдвигании стрелка отклонится в другую сторону, а движение катушки также вызовет индукционный ток.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Считать, что ток создаёт одно лишь присутствие магнита. Так думают, потому что магнитное поле невидимо и кажется постоянной причиной тока; проверьте, движется ли магнит или меняется ли поле.

Ошибка 2. Забывать о замкнутости цепи. В разомкнутом контуре заряды не образуют непрерывный ток, хотя электрическое напряжение может возникнуть; проверьте соединение всех элементов.

Ошибка 3. Утверждать, что направление тока не зависит от движения магнита. Вдвигание усиливает воздействие, а выдвигание ослабляет его, поэтому сравнивайте не только наличие движения, но и его направление.

Ошибка 4. Путать магнитную индукцию и электромагнитную индукцию. Первая характеризует магнитное поле, а вторая обозначает явление возникновения тока; при проверке названия спросите себя, идёт ли речь о поле или о токе.

Связь с другими темами

До изучения темы нужно знать, что электрический ток течёт в замкнутой цепи, а магнит действует на проводники с током. Также полезно помнить устройство постоянного магнита.

Электромагнитная индукция связана с опытами по обнаружению магнитного поля компасом и с действием электрического тока на магнитную стрелку. В этих опытах поле обнаруживают по действию, а здесь изменение поля создаёт ток.

Дальше явление пригодится для объяснения работы генераторов электрического тока, трансформаторов и электростанций. Благодаря индукции механическое движение или изменение поля превращается в электрическую энергию.

Что запомнить

• Электромагнитная индукция — возникновение тока при изменении магнитного поля.
• Индукционный ток возникает только в замкнутом проводящем контуре.
• Неподвижный магнит около неподвижной катушки сам по себе тока не вызывает.
• Индукционный ток обнаруживают гальванометром.
• При изменении направления движения магнита меняется направление тока.
• Чем быстрее изменяется магнитное воздействие, тем больше индукционный ток.
• Индукция возможна при движении как магнита, так и катушки.