§19. Электромагнитная индукция

Определения и обозначения

Электромагнитная индукция — возникновение электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного поля, пронизывающего его. Иными словами, магнитное воздействие должно меняться, а проводящий путь — быть замкнутым. Это определение помогает отличить причину появления тока от простого присутствия магнита рядом.

Индукционный ток — ток, возникающий в замкнутом контуре вследствие электромагнитной индукции. Он появляется, пока магнитное поле через контур изменяется. Понятие нужно, чтобы назвать ток, источник которого связан с изменением магнитного поля, а не, например, с батарейкой.

Правило Ленца — правило, по которому определяют направление индукционного тока: создаваемое им магнитное действие препятствует изменению, вызвавшему ток. Это не означает, что ток всегда мешает движению проводника: он противодействует именно изменению поля. Правило помогает понять, куда направлен ток, не путая приближение магнита с его удалением.

Электромагнитный генератор — устройство, преобразующее механическую энергию в электрическую с помощью электромагнитной индукции. В нём движение магнита или катушки меняет магнитное поле через проводящий контур. Это определение связывает опыт с катушкой с получением электричества в устройствах.

Как это устроено

В опыте соединяют катушку с гальванометром — прибором, показывающим наличие и направление небольшого тока. Когда магнит двигают относительно катушки, стрелка отклоняется: значит, в замкнутом контуре возник ток. При остановке магнита отклонение прекращается, потому что поле перестаёт меняться. Так опыт показывает связь тока не с магнитом как предметом, а с изменением магнитного поля через катушку.

Если магнит и катушка неподвижны друг относительно друга, магнитное поле через витки не меняется. Заряды в проводе не получают причины двигаться упорядоченно, поэтому индукционный ток не возникает. Магнит может находиться совсем близко, но одно его присутствие ничего не меняет. Если же катушка движется относительно магнита, или поле меняется иным способом, условие индукции может выполниться.

Важно учитывать поле, проходящее через площадь контура, а не только расстояние до магнита. Например, можно перемещать магнит так, чтобы поле через катушку усиливалось или ослабевало; тогда возникает ток. Если магнит рядом, но поле через контур остаётся неизменным, тока нет. Поэтому в объяснении опыта всегда спрашивают, что именно изменилось в магнитном поле, охватывающем витки.

Быстрое движение магнита вызывает более быстрое изменение поля, поэтому стрелка гальванометра отклоняется сильнее. Более сильный магнит тоже может сильнее изменить поле через катушку за то же время. Если увеличить число витков, изменение охватывает больше проводящих витков и эффект становится заметнее. При этом направление тока определяется не быстротой движения, а тем, усиливается поле или ослабевает.

Направление устанавливают по правилу Ленца: сначала выясняют, как меняется поле магнита через катушку, затем выбирают такое направление тока, чтобы его собственное магнитное действие препятствовало этому изменению. При приближении северного полюса катушка создаёт со стороны магнита северный полюс и отталкивает его. Генератор использует тот же принцип: механическое движение меняет магнитное поле через контур и вызывает ток. Чтобы поддерживать движение, приходится совершать работу, поэтому генератор превращает механическую энергию в электрическую.

Возникновение и направление индукционного тока

Пользуйся таблицей по порядку: сначала определи, меняется ли магнитное поле через катушку, затем проверь, возникает ли ток. Если он возникает, примени правило Ленца и только после этого укажи направление магнитного действия катушки. В гальванометре противоположным направлениям тока соответствуют отклонения стрелки в разные стороны.

Разбор задач

1. Магнит неподвижен и затем вдвигается в катушку

Условие: нужно определить, возникнет ли ток в замкнутой катушке сначала при неподвижном магните, а затем при его быстром движении внутрь. Сравним не просто наличие магнита, а изменение магнитного поля через витки. Катушка замкнута, поэтому при выполнении условия для индукции ток сможет течь.

1. Пока магнит неподвижен относительно катушки, поле через контур не изменяется. Индукционный ток не возникает.
2. Когда магнит быстро вдвигают внутрь, поле через катушку меняется. В замкнутом контуре появляется индукционный ток.
3. При более быстром движении изменение происходит быстрее, поэтому ток будет больше, чем при медленном вдвигании, если остальные условия одинаковы.

Ответ: при неподвижном магните тока нет, а во время быстрого вдвигания он возникает. После остановки магнита изменение поля прекращается и индукционный ток исчезает.

2. К катушке приближают северный полюс

Условие: северный полюс магнита движется к катушке. Нужно определить, каким полюсом катушка должна быть обращена к магниту. Сначала выясним причину тока: поле магнита через катушку усиливается, потому что магнит приближается.

1. По правилу Ленца магнитное действие тока должно препятствовать усилению поля, вызванному приближением магнита.
2. Одноимённые полюса отталкиваются. Поэтому со стороны приближающегося северного полюса катушка должна стать северным полюсом.
3. Такое действие противодействует приближению магнита. Если магнит начать удалять, изменение поля станет противоположным и направление тока изменится.

Ответ: катушка обращена к магниту северным полюсом и отталкивает его.

3. Быстрое и медленное движение; принцип генератора

Условие: сравнить ток при медленном и быстром движении магнита относительно катушки и объяснить работу простейшего генератора. Для сравнения считаем, что магнит, катушка и замкнутая цепь одинаковы. Ключ к решению — скорость изменения поля через контур.

1. При быстром движении поле через катушку меняется за меньшее время. Поэтому индукционный ток сильнее, чем при медленном движении.
2. Для генератора нужно непрерывно менять магнитное поле через замкнутую катушку: например, вращать её в магнитном поле.
3. Вращение требует механической работы. Благодаря индукции в цепи возникает электрический ток, то есть генератор преобразует механическую энергию в электрическую.

Ответ: при быстром движении ток больше; генератор создаёт ток, используя движение катушки или магнита относительно друг друга.

Типичные ошибки

Ошибка 1 — считать, что ток создаёт само присутствие магнита. Так думают, потому что магнитное поле существует и без движения. Но решающее условие — изменение поля через замкнутый контур. Проверь себя: если магнит и катушка неподвижны, гальванометр не должен показывать ток.

Ошибка 2 — забывать о замкнутой цепи. Изменение поля может создать напряжение и при разомкнутой цепи, но заряды не могут двигаться по полному пути. Это путают, смешивая появление напряжения с протеканием тока. Проверь, соединены ли проводники в замкнутый контур.

Ошибка 3 — определять направление тока только по движению магнита. Приближение и удаление оба являются движением, но в первом случае поле усиливается, а во втором ослабевает. Правило Ленца требует учитывать именно изменение поля. Сначала назови, усиливается оно или ослабевает, и лишь затем определяй действие катушки.

Ошибка 4 — путать правило Ленца с правилом правой руки. Первое помогает понять, каким должно быть направление тока, чтобы его поле противодействовало изменению. Правило правой руки используют, чтобы по направлению тока определить направление создаваемого им магнитного поля. Для самопроверки раздели задачу на два шага: Ленц задаёт нужное действие поля, а правая рука помогает связать это поле с током.

Связь с другими темами

Для этой темы нужны знания о магнитном поле и магнитных линиях, а также о том, как магнитное поле действует на проводник с током. Нужно помнить и условия существования электрического тока: заряды должны двигаться по замкнутой цепи. Электромагнитная индукция связывает электрические и магнитные явления и показывает, как механическая энергия может превращаться в электрическую. Это пригодится при изучении генераторов, трансформаторов, электродвигателей и производства электроэнергии.

Что запомнить

• Электромагнитная индукция — возникновение тока в замкнутом контуре при изменении магнитного поля через него.
• Неподвижный магнит вблизи неподвижной катушки сам по себе индукционного тока не создаёт.
• Чем быстрее изменяется магнитное поле, тем больше индукционный ток.
• Увеличение числа витков катушки усиливает проявление электромагнитной индукции.
• Направление индукционного тока определяют по правилу Ленца.
• Индукционный ток своим магнитным действием противодействует причине, вызвавшей его появление.
• Генератор получает электрическую энергию за счёт механического движения в магнитном поле.