§ 29. Явление электромагнитной индукции

Определения и обозначения

Электромагнитная индукция — возникновение электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного воздействия на него. Иначе говоря, изменяющееся магнитное поле может вызвать движение зарядов по проводнику. Это явление показывает, как магнитное воздействие связано с электрическим током. Для индукции важны замкнутость контура и изменение поля через него.

Индукционный ток — ток, возникающий в замкнутом контуре вследствие электромагнитной индукции. Он появляется, пока магнитное поле, пронизывающее контур, меняется. Термин помогает отличать такой ток от тока, который создаёт источник питания. Его наличие можно обнаружить измерительным прибором.

Индукционный электрический ток появляется в замкнутом проводнике, когда меняется магнитное поле через него. В отличие от тока, созданного батареей, для него не требуется подключать источник питания: причиной служит изменение магнитного воздействия. Если поле перестаёт меняться, такой ток исчезает. Это различие помогает определить, что именно вызывает ток в опыте.

Индукционный ток в катушке обнаруживают по отклонению стрелки гальванометра — прибора, показывающего наличие и направление тока. Катушка соединена с гальванометром, поэтому ток в её витках проходит и через прибор. Когда ток меняет направление, стрелка отклоняется в противоположную сторону. Так прибор позволяет увидеть кратковременный ток, который иначе трудно заметить.

Как это устроено

Катушку соединяют с гальванометром, а к ней подносят магнит. Когда магнит движется относительно катушки, стрелка прибора отклоняется: в цепи возникает ток. Движение меняет магнитное поле, пронизывающее витки, и именно это изменение вызывает движение зарядов. Если магнит остановить, поле через катушку перестанет меняться, поэтому отклонение исчезнет, а стрелка вернётся к нулю.

Опыт показывает, что одного присутствия магнита возле катушки недостаточно. Важна не просто сила магнитного поля, а то, меняется ли оно в области контура. Пока магнит неподвижен относительно катушки и условия не меняются, поле через витки остаётся постоянным. Поэтому индукционного тока нет, хотя магнитное поле существует.

Если магнит движется к катушке, гальванометр отклоняется в одну сторону, а при движении от катушки — в другую. При приближении магнитное воздействие на витки усиливается, а при удалении ослабевает. Из-за противоположного изменения поля меняется направление возникающего тока. Сравнение отклонений позволяет установить это направление без того, чтобы видеть движение зарядов.

Магнит не обязательно перемещать, чтобы вызвать индукционный ток. Например, рядом с первой катушкой помещают вторую, по которой идёт ток: её ток создаёт магнитное поле. Если ток во второй катушке увеличивать или уменьшать, меняется и поле, пронизывающее первую катушку. В замкнутой цепи первой катушки при этом возникает ток, хотя магнит и обе катушки могут оставаться неподвижными.

Опыты с движущимся магнитом и с изменением тока в соседней катушке приводят к одному выводу. Изменяющееся магнитное поле может вызвать электрический ток в замкнутом проводнике. Причиной служит не обязательно движение предмета, а изменение магнитного воздействия на контур. Когда такое изменение прекращается, индукционный ток исчезает.

Условия возникновения индукционного тока

Сначала определите, меняется ли магнитное поле через контур, затем посмотрите на показания гальванометра. Отклонение означает, что в цепи появился ток; противоположные отклонения показывают смену его направления. Если поле постоянно, индукционного тока нет.

Разбор задач

1. Магнит вдвигают в катушку

Условие. Катушку подключили к гальванометру и вдвигают в неё магнит. Нужно объяснить отклонение стрелки и определить, что будет при остановке магнита. Для решения проследим, меняется ли поле через витки катушки. Затем свяжем это изменение с током в цепи.

1. Магнит входит в катушку, поэтому магнитное поле, пронизывающее её витки, меняется.
2. Изменение поля вызывает индукционный ток в замкнутой цепи.
3. Ток проходит через гальванометр, и его стрелка отклоняется.
4. После остановки магнита поле перестаёт меняться, ток исчезает, стрелка возвращается к нулю.

Ответ. Стрелка отклоняется из-за индукционного тока, вызванного изменением магнитного поля. После остановки магнита ток прекратится.

2. Магнит приближают, а затем удаляют

Условие. Сначала магнит приближают к катушке, а затем удаляют. Требуется сравнить направления индукционного тока. Для этого важно не только заметить, что поле меняется, но и определить, как именно меняется магнитное воздействие. При переходе от приближения к удалению характер изменения становится противоположным.

1. При приближении магнита магнитное поле через катушку меняется, поэтому возникает ток.
2. При удалении поле меняется в противоположном направлении: магнитное воздействие на катушку ослабевает.
3. Направление индукционного тока меняется, поэтому стрелка гальванометра отклоняется в другую сторону.

Ответ. При приближении и удалении магнита направления индукционного тока противоположны.

3. Меняют ток в соседней катушке

Условие. Магнит неподвижен возле первой катушки, но ток в соседней катушке увеличивают. Нужно выяснить, появится ли ток в первой катушке и когда он прекратится. Здесь следует следить не за движением магнита, а за изменением поля, которое создаёт соседняя катушка. Ток в ней влияет на магнитное поле вокруг обеих катушек.

1. Увеличение тока во второй катушке меняет создаваемое ею магнитное поле.
2. Поле через первую катушку тоже меняется, хотя магнит неподвижен.
3. В замкнутой цепи первой катушки возникает индукционный ток.
4. Когда ток в соседней катушке перестанет изменяться и поле станет постоянным, индукционный ток исчезнет.

Ответ. Ток в первой катушке возникнет, пока меняется поле, и прекратится, когда изменение поля остановится.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что ток появляется просто при наличии магнита рядом с катушкой. Так думают, потому что связывают ток напрямую с магнитом, не учитывая изменение поля. Но неподвижный магнит может создавать поле без индукционного тока. Проверьте себя: меняется ли магнитное воздействие на контур?

Ошибка — ожидать постоянный ток при неподвижном магните. Гальванометр отклоняется только во время изменения поля, поэтому после остановки магнита стрелка возвращается к нулю. Иногда краткое отклонение принимают за признак постоянного тока. Убедитесь, что магнитное поле продолжает меняться, а не просто остаётся рядом.

Ошибка — путать индукционный ток с током от источника питания. Батарея поддерживает ток в подключённой цепи, а индукционный ток возникает благодаря изменению магнитного поля. Их причина различна, даже если оба тока проходят по проводнику. Проверьте, подключён ли источник и меняется ли поле через контур.

Ошибка — считать, что магнит обязательно должен двигаться. Такое впечатление возникает из-за простого опыта с магнитом и катушкой, но поле можно изменить и другими способами. Например, меняют ток в соседней катушке, не перемещая магнит. Спросите себя, изменяется ли поле через контур: движение магнита — лишь один из способов это сделать.

Связь с другими темами

Для понимания электромагнитной индукции нужно знать, что электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц. Также нужно помнить, что ток создаёт магнитное поле, а магнитное поле действует на проводники с током. Эти знания помогают увидеть связь электрических и магнитных явлений. Тема пригодится при изучении закона электромагнитной индукции и генераторов электрического тока.

В генераторе движение используют для изменения магнитного поля через проводящую катушку и получения электрического тока. Так механическая энергия преобразуется в электрическую. Поэтому опыты с магнитом и катушкой объясняют принцип работы устройств, производящих электричество. Позднее явление описывают точнее с помощью закона электромагнитной индукции.

Что запомнить

• Индукционный ток возникает в замкнутом контуре при изменении магнитного поля через него.
• Неподвижный магнит в катушке сам по себе не вызывает индукционный ток.
• Изменить магнитное поле через контур можно движением магнита или изменением тока в соседней катушке.
• При прекращении изменения магнитного поля индукционный ток исчезает.
• При изменении направления движения магнита меняется направление индукционного тока.
• Электромагнитная индукция показывает, что магнитное воздействие может вызвать электрический ток.