"Физика", Пурышева Н.С., Важеевская Н.Е., Чаругин В.М.
Электромагнитная индукция — возникновение тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока через него. В лабораторной работе это явление обнаруживают с помощью катушки, постоянного магнита и гальванометра. Отклонение стрелки показывает, что ток появился, а его направление зависит от того, приближают магнит к катушке или удаляют. Чем быстрее меняется магнитное поле, тем сильнее ток при прочих равных условиях.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Электромагнитная индукция — явление возникновения индукционного тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного поля, пронизывающего контур. Простыми словами, магнитное поле может вызвать ток, если оно меняется относительно замкнутой цепи. Это явление позволяет объяснить, как механическое движение может быть связано с появлением электрического тока.
Индукционный ток — ток, возникающий в контуре при изменении магнитного потока через него. Его направление зависит от того, увеличивается или уменьшается магнитный поток, поэтому при приближении магнита и его удалении направления токов различаются. Понятие нужно, чтобы описывать не только появление тока, но и то, куда он течёт.
Магнитный поток — физическая величина, характеризующая магнитное поле, пронизывающее поверхность контура. В опыте поток меняется, когда магнит перемещается относительно катушки; при неизменном положении он остаётся постоянным. Именно изменение потока служит условием возникновения индукционного тока.
Цель лабораторной работы — экспериментально обнаружить электромагнитную индукцию и выяснить, от чего зависит направление индукционного тока. Для этого нужно наблюдать не только за появлением тока, но и за тем, как меняются показания прибора при разных действиях с магнитом. Сравнение опытов помогает связать результат с изменением магнитного потока.
Установка состоит из катушки, соединённой проводами с гальванометром, и постоянного магнита. Гальванометр — прибор для обнаружения небольшого тока: его стрелка отклоняется, когда ток проходит через цепь. Сторона отклонения показывает направление тока, а размер отклонения позволяет сравнить силу тока в опытах при одинаковой настройке прибора.
Когда магнит движется относительно катушки, магнитное поле внутри неё меняется, поэтому меняется и магнитный поток через витки. В замкнутой цепи возникает индукционный ток, который отклоняет стрелку гальванометра. Если магнит остановить и сохранить его положение относительно катушки, поток перестанет изменяться, поэтому стрелка вернётся к нулю и ток перестанет обнаруживаться.
Если сначала двигать магнит к катушке, а затем от неё, стрелка отклонится в разные стороны. При приближении поток через катушку изменяется в одну сторону, а при удалении — в противоположную; поэтому меняется и направление индукционного тока. Такой опыт показывает, что направление тока определяется не просто наличием магнита, а характером изменения магнитного потока.
Теперь можно сравнить медленное и быстрое движение одного и того же магнита. При быстром движении магнитное поле в катушке меняется за меньшее время, поэтому индукционный ток при прочих равных условиях сильнее. На гальванометре это проявляется большим отклонением стрелки. Чтобы сравнение было честным, нужно сохранять тот же магнит, катушку и способ подключения прибора.
| Действие с магнитом | Наблюдение гальванометра | Есть ли индукционный ток | Вывод о направлении или силе тока |
|---|---|---|---|
| Магнит неподвижен относительно катушки | Стрелка не отклоняется | Не обнаруживается | При неизменном потоке тока нет |
| Магнит движется к катушке | Стрелка отклоняется | Есть | Ток имеет одно направление |
| Магнит движется от катушки | Стрелка отклоняется в другую сторону | Есть | Направление противоположно случаю приближения |
| Магнит движется быстрее к катушке | Стрелка отклоняется сильнее | Есть | Ток сильнее, направление то же, что при обычном приближении |
| Магнит движется быстрее от катушки | Стрелка отклоняется сильнее | Есть | Ток сильнее, направление то же, что при обычном удалении |
Сначала сравните, отклоняется ли стрелка: так определяют, появляется ли ток. Затем сопоставьте стороны отклонения при приближении и удалении магнита, чтобы установить, меняется ли направление тока. Для оценки силы сравнивайте размер отклонения при одинаковых условиях опыта.
Магнит вводят в катушку, соединённую с гальванометром. Определите, какое наблюдение подтвердит возникновение индукционного тока. Нужно отличить наличие тока от самого факта нахождения магнита рядом с катушкой. Для этого наблюдают за прибором именно во время движения магнита.
Ответ: возникновение индукционного тока подтвердит отклонение стрелки гальванометра во время движения магнита. Если магнит остановить и поток перестанет меняться, устойчивого отклонения не будет.
Магнит сначала приближают к катушке, а затем удаляют. Сравните направления индукционного тока в этих случаях. По одному лишь факту появления стрелочного отклонения нельзя определить, одинаковы ли направления токов. Нужно сравнить, в какую сторону отклоняется стрелка при каждом движении.
Ответ: при приближении и удалении магнита возникают токи противоположных направлений. Проверить это можно по смене стороны отклонения стрелки.
Один и тот же магнит перемещают относительно катушки сначала медленно, затем быстро. Сравните наблюдения и объясните результат. Для правильного вывода важно не менять сам магнит и остальные условия опыта. Тогда различие в показаниях можно связать со скоростью его движения.
Ответ: при быстром движении стрелка отклонится сильнее, но в ту же сторону, что и при медленном движении в том же направлении. Значит, скорость изменения магнитного поля влияет на силу индукционного тока.
Ошибочно считать, что ток возникает просто при наличии магнитного поля. Так думают, потому что связывают ток с магнитом, забывая о том, что поле должно изменяться. Проверьте себя: если остановить магнит и сохранить его положение относительно катушки, стрелка не должна продолжать отклоняться.
Не следует ожидать постоянного тока, когда магнит неподвижен внутри катушки. Магнитное поле там есть, но при неизменном взаимном положении магнитный поток не меняется; иногда наличие поля ошибочно принимают за условие появления тока. Проверьте себя, наблюдая за стрелкой после остановки магнита: отклонение связано с движением, а не с его неподвижным присутствием.
Приближение и удаление магнита не создают ток одного направления. Ошибка возникает, если замечать только наличие отклонения и не сравнивать его стороны. Чтобы проверить вывод, переместите магнит сначала к катушке, потом от неё и сопоставьте направления отклонения стрелки.
Больший ток нельзя объяснять только тем, что магнит сильнее. В опыте с одним и тем же магнитом ток тоже меняется, если изменить скорость движения, поэтому важна скорость изменения поля; влияют и условия установки. Для честной проверки сравнивайте медленное и быстрое движение одного магнита при неизменных катушке и подключении.
Для выполнения опыта нужно знать, что постоянный магнит создаёт магнитное поле, а электрический ток — направленное движение зарядов. Также необходимо понимать, что замкнутая цепь образует непрерывный путь для тока. Эти знания помогают проследить, как изменение магнитного поля приводит к наблюдаемому действию в электрической цепи.
Результаты опыта подводят к правилу Ленца, которое помогает определить направление индукционного тока, и к закону электромагнитной индукции. Они также объясняют принцип работы генераторов: в них движение и изменение магнитного потока используются для получения электрического тока.
Почему ток возникает только во время движения магнита?
При движении магнита меняется магнитное поле, пронизывающее катушку, а значит, меняется магнитный поток через её контур. Именно это изменение вызывает индукционный ток. Если магнит и катушка неподвижны друг относительно друга, поток не меняется.
Что показывает отклонение стрелки гальванометра?
Отклонение показывает, что в цепи появился ток. Направление отклонения помогает определить направление этого тока. Чем больше отклонение в одинаковых условиях, тем сильнее ток.
Почему при удалении магнита направление тока меняется?
При приближении и удалении магнита магнитный поток меняется в противоположных направлениях: в одном случае увеличивается, в другом уменьшается. Поэтому индукционный ток тоже меняет направление. Это видно по отклонению стрелки гальванометра в противоположную сторону.
Как скорость движения магнита влияет на индукционный ток?
При более быстром движении магнитное поле через катушку меняется быстрее. Поэтому при прочих равных условиях индукционный ток сильнее, а стрелка гальванометра отклоняется больше. Сравнивать нужно опыты с теми же магнитом и катушкой.
Можно ли получить индукционный ток, если двигать катушку, а магнит оставить неподвижным?
Да. Важно не то, какая именно часть установки движется, а меняется ли магнитный поток через катушку. Если при движении катушки относительно магнита поток изменяется, в замкнутой цепи возникает индукционный ток.
Лабораторная работа № 4. Изучение явления электромагнитной индукции
