§ 21. Электромагнитная индукция

Определения и обозначения

Электромагнитная индукция — явление возникновения электрического тока в замкнутом проводнике при изменении магнитного поля, пронизывающего контур. Контуром называют замкнутую цепь, например витки катушки. Для возникновения тока поле должно меняться, а не просто находиться рядом.

Индукционный ток — ток, возникающий в замкнутом проводнике вследствие электромагнитной индукции. Слово «индукционный» указывает на причину: ток появляется из-за изменения магнитного поля. Это название помогает отличать его, например, от тока, который создаёт батарейка.

Индукционный электрический ток — ток, возникающий при движении проводника в магнитном поле или при изменении магнитного поля около проводника. В первом случае проводник пересекает магнитное поле, и заряды начинают двигаться. Это определение показывает, какими способами можно вызвать индукцию.

Правило Ленца — правило, по которому определяют направление индукционного тока: создаваемое им магнитное поле препятствует изменению, вызвавшему этот ток. Сначала выясняют, как меняется поле через контур, а затем находят направление тока, создающего противодействующее поле. Правило нужно, чтобы определить направление, а не величину тока.

Как это устроено

В опыте катушку соединяют с гальванометром — прибором, который показывает наличие и направление слабого тока. Когда магнит приближают к катушке, стрелка отклоняется: значит, в цепи возник ток. Если магнит остановить, отклонение прекращается, а при удалении магнита стрелка отклоняется в другую сторону. Это происходит потому, что при движении меняется магнитное поле через витки, а при остановке изменение исчезает.

Для индукции важна именно перемена магнитного поля через контур. Если магнит неподвижен рядом с неподвижной катушкой, поле может быть сильным, но оно остаётся постоянным, поэтому индукционного тока нет. При приближении магнита поле через витки меняется в одну сторону, при удалении — в другую. Значит, причина тока не просто магнитное поле, а его изменение.

Ток можно получить и движением проводника в магнитном поле. На находящиеся в проводнике заряды действует магнитное поле, и заряды разделяются: на разных концах проводника накапливаются противоположные заряды. Между концами возникает электрическое напряжение. Если проводник включён в замкнутую цепь, заряды движутся по ней и появляется ток; в разомкнутой цепи замкнутого тока нет.

Направление индукционного тока зависит от того, как именно меняется поле: например, магнит приближают или удаляют. Чтобы определить направление, применяют правило Ленца. Представьте, что ток создаёт собственное магнитное поле: оно должно мешать изменению, которое вызвало ток. После этого по расположению полюсов можно понять, каким полюсом становится сторона катушки, и установить направление тока.

Противодействие по правилу Ленца связано с сохранением энергии. Если бы индукционный ток усиливал причину своего появления, изменение магнитного поля само собой становилось бы всё сильнее и создавало бы дополнительную энергию. В действительности при движении магнита приходится прикладывать усилие: энергия движения переходит в электрическую и затем может стать теплом. Поэтому поле тока препятствует изменению, а не помогает ему.

Условия возникновения индукционного тока

Сначала выясните, меняется ли магнитное поле через контур: без изменения индукционного тока нет. Затем определите, усиливается поле или ослабевает, и примените правило Ленца. Таблица показывает, что причина изменения может быть разной, но направление всегда связывают с тем, как меняется поле.

Разбор задач

Задача 1. К катушке, соединённой с гальванометром, приближают магнит. Нужно выяснить, появится ли ток и что покажет прибор. Будем считать, что катушка и магнит образуют замкнутую цепь, а магнит действительно движется относительно катушки. Важно проследить, меняется ли поле через витки.

1. При приближении магнита магнитное поле через катушку изменяется.
2. Из-за этого изменения в замкнутой цепи возникает индукционный ток.
3. Гальванометр реагирует на ток отклонением стрелки; точное направление зависит от того, какой полюс приближают и как подключён прибор.

Ответ: ток появится, и стрелка гальванометра отклонится. Если магнит остановить, изменение поля прекратится и постоянного отклонения не будет.

Задача 2. Магнит сначала вводят в катушку, а затем вынимают. Сравним направление отклонения стрелки. В обоих случаях цепь остаётся замкнутой, но изменение поля через катушку происходит по-разному. Поэтому нужно сравнивать не наличие магнита, а направление изменения поля.

1. При введении магнита поле через катушку изменяется в одну сторону, и возникает индукционный ток.
2. При вынимании магнита изменение поля становится противоположным.
3. По правилу Ленца ток меняет направление, поэтому стрелка отклоняется в другую сторону.

Ответ: отклонения стрелки будут противоположными. Как именно она отклонится сначала, зависит от полюса магнита и подключения гальванометра, но при смене движения направление тока изменится.

Задача 3. Северный полюс магнита приближают к катушке. Определим, каким полюсом должна стать обращённая к магниту сторона катушки, чтобы препятствовать приближению. Сначала представим, что изменяется магнитное поле катушки, а затем применим правило Ленца. Противодействовать приближению означает отталкивать магнит.

1. Северный полюс магнита приближается к катушке, поэтому магнитное воздействие через неё усиливается.
2. Поле индукционного тока должно препятствовать усилению, а катушка должна мешать приближению магнита.
3. Чтобы отталкивать северный полюс, обращённая к нему сторона катушки тоже должна стать северным полюсом.

Ответ: обращённая к магниту сторона катушки становится северным полюсом. Направление тока выбирают таким, чтобы он создал именно такое поле; это и есть применение правила Ленца.

Типичные ошибки

• Ошибка — считать, что ток возникает просто от присутствия магнита. Так думают, потому что магнитное поле невидимо и кажется, будто оно само должно действовать на катушку. Проверьте, меняется ли поле через контур: если магнит и катушка неподвижны, индукционного тока нет.

• Ошибка — ожидать ток в разомкнутой цепи. Изменение поля может разделить заряды и создать напряжение, поэтому кажется, что ток обязательно потечёт. Проверьте, замкнут ли путь для зарядов: в разрыве цепи замкнутый ток не течёт.

• Ошибка — считать, что при приближении и удалении магнита ток направлен одинаково. Это происходит, если замечать только движение, не сравнивая изменение поля. Проверьте себя по гальванометру и правилу Ленца: при смене характера изменения направление тока меняется.

• Ошибка — понимать правило Ленца как противодействие самому магниту. Правило относится не к магниту вообще, а к изменению, вызвавшему ток; иначе можно неверно определить полюс катушки. Спросите себя, усиливается поле или ослабевает, и только затем определяйте направление противодействующего поля.

Связь с другими темами

Для понимания индукции нужно знать, что электрический ток создаёт магнитное поле, и уметь распознавать северный и южный полюса магнита. Понадобятся также знания о замкнутой электрической цепи, направлении тока и работе гальванометра. Эти понятия помогают установить, когда ток появился и как он направлен. Электромагнитная индукция служит основой для изучения генераторов: в них движение помогает получать электрическую энергию.

Что запомнить

• Электромагнитная индукция — возникновение тока при изменении магнитного поля через контур.
• Неподвижный магнит и неподвижная катушка сами по себе не создают индукционный ток.
• Относительное движение магнита и катушки может вызвать индукционный ток.
• В разомкнутой цепи индукционный ток не течёт.
• Направление индукционного тока зависит от характера изменения магнитного поля.
• По правилу Ленца индукционный ток противодействует причине своего возникновения.