§ 39 Явление электромагнитной индукции

Определения и обозначения

Электромагнитная индукция — возникновение электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного поля, пронизывающего контур. Проще говоря, магнитное воздействие меняется — и в проводнике может появиться ток. Это явление показывает, как изменение магнитного поля связано с электрическим током.

Индукционный ток — ток, возникающий в замкнутом контуре вследствие электромагнитной индукции. Его можно обнаружить прибором, например гальванометром — чувствительным устройством, показывающим наличие и направление тока. Название помогает отличить этот ток от тока, который создаёт батарейка.

Замкнутый проводящий контур — проводящий путь без разрывов, по которому может проходить электрический ток. Например, соединённые в кольцо провода образуют такой путь, а разомкнутые концы его нарушают. Это понятие нужно, чтобы понять условие протекания тока в опыте.

Индукционный ток существует только во время изменения магнитного воздействия на контур. Когда изменение прекращается, ток исчезает, даже если магнит остаётся рядом. Поэтому наблюдение тока позволяет судить не только о наличии поля, но и о том, меняется ли воздействие на контур.

Как это устроено

В опыте катушку соединяют с гальванометром, а рядом перемещают магнит. Когда магнит вдвигают в катушку, стрелка прибора отклоняется: в замкнутом проводе появляется ток. Причина в том, что при движении магнита магнитное воздействие на витки катушки изменяется. При неподвижном магните такого изменения нет, и заметный ток не возникает.

Само по себе магнитное поле не гарантирует появления тока. Если катушка остаётся в неизменном положении относительно постоянного магнита, воздействие на неё тоже не меняется. Для возникновения индукционного тока нужно, чтобы менялось магнитное поле в области контура или положение контура относительно поля. Поэтому важно следить не только за тем, есть ли магнит рядом, но и за тем, меняется ли ситуация.

Если остановить магнит внутри катушки, стрелка гальванометра возвращается к нулю. После остановки магнитное воздействие перестаёт изменяться, и причина, поддерживавшая индукционный ток, исчезает. Магнитное поле при этом не пропадает: оно остаётся, но становится постоянным относительно катушки. Этот опыт наглядно отделяет наличие поля от его изменения.

При движении магнита в противоположных направлениях стрелка отклоняется в разные стороны, потому что меняется направление изменения магнитного воздействия. Значит, изменяется и направление индукционного тока. Скорость движения тоже важна: быстро перемещаемый магнит вызывает более сильное отклонение, поскольку воздействие меняется быстрее. Гальванометр показывает и направление тока, и то, насколько заметен индукционный эффект.

Двигать можно не только магнит, но и саму катушку: важна их относительная перемена положения. Магнитное воздействие на контур меняется также при изменении его площади или ориентации в поле. Однако ток наблюдают только в замкнутой цепи, где заряды могут двигаться по непрерывному пути. В разомкнутой цепи тока нет, хотя при изменении воздействия между концами проводника может возникнуть напряжение.

Условия возникновения индукционного тока

Сравнивайте в каждой строке изменение опыта с наблюдением прибора и выводом: так проще увидеть условие появления тока. Если стрелка не отклоняется, проверьте, меняется ли магнитное воздействие и замкнута ли цепь. Таблица также помогает не путать направление тока с самим фактом наличия магнитного поля.

Разбор задач

Магнит в катушке: движение и покой

Катушку соединяют с гальванометром. В первом опыте магнит вдвигают в катушку, а во втором оставляют внутри неё неподвижным. Нужно объяснить, почему показания прибора различаются.

1. Определяем, что изменяется: при вдвигании магнита меняется его положение относительно катушки и магнитное воздействие на неё.
2. Связываем это изменение с явлением индукции: замкнутая катушка становится местом возникновения индукционного тока, поэтому гальванометр отклоняется.
3. Во втором опыте магнит неподвижен, и воздействие на катушку не меняется. Причина возникновения индукционного тока отсутствует, поэтому стрелка не отклоняется.

Ответ: при вдвигании магнита гальванометр показывает ток, а при его неподвижном положении ток не возникает. Определяющим является изменение магнитного воздействия, а не просто наличие магнита внутри катушки.

Медленное и быстрое движение магнита

Одинаковый магнит медленно и быстро вводят в одинаковую катушку, соединённую с гальванометром. Нужно сравнить отклонения стрелки и объяснить различие. Предполагается, что в обоих опытах магнит проходит сопоставимый путь.

1. В обоих случаях магнитное воздействие на катушку изменяется, поэтому в замкнутой цепи появляется индукционный ток.
2. При быстром движении положение магнита меняется за меньшее время. Следовательно, магнитное воздействие изменяется быстрее, чем при медленном движении.
3. Более быстрое изменение вызывает более сильное проявление индукционного эффекта. Поэтому отклонение стрелки при быстром введении магнита больше.

Ответ: сильнее отклонится стрелка при быстром введении магнита. Скорость изменения магнитного воздействия больше, поэтому индукционный ток проявляется сильнее.

Как изменить воздействие, не меняя катушку

Нужно предложить несколько способов получить индукционный ток в замкнутой катушке, не меняя сам проводник. Здесь важно изменить не устройство катушки, а магнитное воздействие на неё. Перечислим варианты и проверим, почему каждый подходит.

1. Приближать к катушке магнит или удалять его. В обоих случаях меняется положение магнита относительно контура.
2. Оставить магнит на месте и перемещать катушку относительно него. Относительное положение изменится, а вместе с ним изменится воздействие на контур.
3. Поворачивать контур в магнитном поле или менять площадь его части, находящейся в поле. Тогда меняется то, как контур расположен относительно поля.
4. Изменять само магнитное поле около неподвижной катушки. Такой способ также подходит, если изменение происходит при замкнутой цепи.

Ответ: можно двигать магнит или катушку, поворачивать контур, менять его площадь в области поля либо изменять само поле. Во всех случаях условие одно: меняется магнитное воздействие на замкнутую катушку.

Типичные ошибки

• Ошибка: считать, что ток появляется в любой катушке, находящейся в магнитном поле. Так думают, потому что связывают явление только с присутствием магнита, но ток возникает лишь при изменении воздействия. Проверьте себя вопросом: меняется ли положение катушки или само поле?
• Ошибка: путать наличие магнитного поля с наличием индукционного тока. Неподвижное постоянное поле само по себе не создаёт ток, хотя магнит рядом есть. Чтобы проверить вывод, представьте магнит и катушку, которые долго остаются неподвижными.
• Ошибка: забывать, что цепь должна быть замкнута. Из-за возможного напряжения на концах проводника его иногда принимают за текущий по цепи ток. Проверьте, есть ли непрерывный путь для движения зарядов: если есть разрыв, тока в цепи нет.
• Ошибка: считать, что направление тока не зависит от движения магнита. При смене направления движения меняется направление изменения воздействия, поэтому меняется и ток. Проверка простая: сравните показания гальванометра при приближении магнита и при его удалении.

Связь с другими темами

До изучения индукции нужно знать, что такое электрический ток, замкнутая цепь и действие магнитного поля на проводник с током. Ранее рассматривали, как электрический ток создаёт магнитное поле. Электромагнитная индукция показывает обратную связь: изменяющееся магнитное воздействие может вызвать ток. Позже это явление понадобится при изучении правила Ленца, генераторов, трансформаторов и принципа работы электростанций.

Что запомнить

• Электромагнитная индукция — возникновение тока при изменении магнитного воздействия на замкнутый контур.
• Индукционный ток возникает только в замкнутой цепи.
• Постоянное магнитное поле при неподвижном контуре тока не создаёт.
• Изменить магнитное воздействие можно движением магнита или катушки.
• Направление индукционного тока зависит от направления изменения магнитного воздействия.
• Чем быстрее происходит изменение, тем сильнее проявляется индукционный эффект.