1. Явление электромагнитной индукции

Определения и обозначения

Электромагнитная индукция — возникновение электрического тока в замкнутом проводнике при изменении магнитного поля, пронизывающего контур. Контуром называют замкнутую цепь, например витки катушки. Это определение помогает выделить главное условие явления: поле должно изменяться, а цепь — быть замкнутой.

Индукционный ток — ток, возникающий в проводнике вследствие электромагнитной индукции. Его направление зависит от того, как именно меняется магнитное поле: например, магнит приближается к катушке или удаляется от неё. Термин нужен, чтобы отличать такой ток от тока, создаваемого батареей или другим источником.

Индукционный ток в замкнутом контуре существует, пока магнитное воздействие на контур изменяется. Когда изменение прекращается, ток исчезает, даже если магнит остаётся рядом. Это показывает, что причиной тока является не постоянное поле, а его изменение через контур.

Как это устроено

Катушку соединяют с гальванометром — прибором, который обнаруживает небольшой ток по отклонению стрелки. Если вдвигать магнит в катушку, стрелка отклоняется, потому что магнитное поле через витки меняется. Когда магнит останавливают внутри или рядом с катушкой, стрелка возвращается к нулю: поле становится постоянным.

Ток можно получить и без перемещения магнита. Для этого рядом с первой катушкой располагают вторую, подключённую к источнику тока, и изменяют ток в ней. Изменяющийся ток создаёт изменяющееся магнитное поле, которое пронизывает первую катушку и вызывает в ней индукционный ток.

Существенным условием является изменение магнитного поля через замкнутый контур. Поле может измениться из-за движения магнита, движения самой катушки или изменения тока в соседнем проводнике. Если поле есть, но его действие на контур не меняется, стрелка гальванометра не отклоняется.

При движении магнита к катушке индукционный ток имеет одно направление, а при удалении — противоположное. Причина в том, что в первом случае магнитное воздействие усиливается, а во втором ослабевает. Поэтому направление движения магнита влияет не просто на силу тока, а на направление его течения.

Величина индукционного тока определяется тем, насколько быстро меняется магнитное поле через контур. Быстрое движение магнита вызывает более резкое изменение поля и большее отклонение стрелки. Направление тока определяется характером изменения поля, а не только его величиной.

Условия возникновения и свойства индукционного тока

Сначала определите, изменяется ли магнитное поле именно через замкнутый контур. Затем по характеру изменения установите, возникает ли ток и каким будет его направление.

Если поле меняется быстрее, ожидайте большего значения тока, но не путайте силу тока с его направлением. Направление сравнивают по изменению поля: приближение и удаление магнита дают противоположные результаты.

Разбор задач

Магнит приближают к замкнутой катушке, подключённой к гальванометру. Объясните, почему стрелка отклоняется.

Нужно связать наблюдаемое отклонение с причиной появления тока. Катушка замкнута, поэтому ток в ней может существовать. При приближении магнита магнитное поле через витки изменяется.

1. Определяем состояние цепи: катушка подключена к гальванометру, значит контур замкнут.
2. Устанавливаем причину изменения поля: магнит движется к катушке, поэтому его поле через контур усиливается.
3. Делаем вывод: изменение поля вызывает индукционный ток, а ток отклоняет стрелку прибора.

Ответ: стрелка отклоняется, потому что при приближении магнита изменяется магнитное поле через замкнутую катушку и в ней возникает индукционный ток.

Магнит сначала приближают, а затем удаляют от катушки. Сравните показания гальванометра.

В обоих случаях магнит движется, значит ток появляется и при приближении, и при удалении. Но изменение магнитного поля происходит противоположным образом. Поэтому сравнивать нужно не только наличие отклонения, но и сторону отклонения стрелки.

1. При приближении магнита поле через катушку усиливается, и стрелка отклоняется в одну сторону.
2. При удалении магнита поле ослабевает, поэтому направление индукционного тока меняется.
3. Стрелка отклоняется в противоположную сторону; при одинаковой скорости движения величина отклонения может быть примерно одинаковой.

Ответ: при удалении магнита стрелка отклоняется в противоположную сторону, потому что меняется направление изменения магнитного поля.

Катушка с гальванометром находится рядом с другой катушкой, подключённой к источнику. Объясните, когда в первой катушке возникнет ток и как изменится результат при размыкании цепи второй катушки.

Источник питает вторую катушку, а её ток создаёт магнитное поле. Пока этот ток постоянен, поле через первую катушку не меняется и тока в ней нет. Индукционный ток появляется в моменты изменения тока, в том числе при размыкании цепи.

1. При включении второй катушки её ток возрастает, поэтому в первой катушке возникает кратковременный индукционный ток.
2. При установившемся токе поле становится постоянным, и ток в первой катушке прекращается.
3. При размыкании ток второй катушки резко уменьшается, поле ослабевает, и в первой катушке появляется ток противоположного направления.

Ответ: ток в первой катушке возникает при включении, изменении или размыкании цепи второй катушки, но отсутствует при постоянном токе в ней. При размыкании направление кратковременного тока меняется по сравнению с включением.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Считать, что достаточно самого наличия магнита. Так думают, потому что поле магнита невидимо и кажется постоянной причиной тока. Проверьте себя: спросите, меняется ли поле через замкнутый контур.

Ошибка 2. Ожидать ток при неподвижных магните и контуре. Ошибка возникает из-за смешения понятий «магнитное поле есть» и «поле изменяется». Если стрелка не отклоняется, пока всё неподвижно, это соответствует условию опыта.

Ошибка 3. Считать направление тока одинаковым при приближении и удалении. Причина ошибки — внимание только к движению, без сравнения его направления. Проверьте себя: при смене приближения на удаление направление стрелки должно измениться.

Ошибка 4. Путать индукционный ток с током от источника. В опыте с магнитом батарея не подключена к катушке, поэтому причиной служит изменение магнитного поля. Проверьте, есть ли источник в цепи и что именно изменяется во время опыта.

Связь с другими темами

Для понимания явления нужны знания об электрическом токе, замкнутой электрической цепи и направлении тока. Без замкнутого контура ток не сможет пройти по всей цепи. Эти понятия помогают правильно читать опыт с катушкой и гальванометром.

Нужно помнить, что вокруг магнита и проводника с током существует магнитное поле. Изменение этого поля может воздействовать на соседний замкнутый проводник. Так электрические и магнитные явления оказываются связанными.

Электромагнитная индукция лежит в основе работы генераторов электрического тока. Она также важна для дальнейшего изучения электромагнитных явлений. Понимание этого опыта помогает объяснить, как механическое движение превращается в электрический ток.

Что запомнить

• Электромагнитная индукция — возникновение тока при изменении магнитного поля через замкнутый контур.
• Неподвижное магнитное поле не вызывает индукционный ток в неподвижном контуре.
• Изменить магнитное поле через контур можно, например, перемещая магнит или изменяя ток в соседней катушке.
• При изменении направления движения магнита меняется направление индукционного тока.
• Индукционный ток существует, пока изменяется магнитное поле через контур.