6. Электромагнитные явления

Определения и обозначения

Электромагнитное взаимодействие — взаимное действие электрических токов, зарядов и магнитных полей. Оно объединяет электрические и магнитные явления: ток создаёт магнитное поле, а поле может действовать на ток. Это понятие помогает увидеть, что электричество и магнетизм не являются полностью отдельными областями.

Магнитное поле — форма материи, создаваемая движущимися электрическими зарядами и токами и действующая на движущиеся заряды, проводники с током и магниты. Его нельзя увидеть непосредственно, но можно обнаружить по действию на компас или проводник. Понятие поля позволяет описывать взаимодействие на расстоянии.

Электромагнит — устройство, в котором магнитное действие электрического тока усиливается сердечником. Обычно он состоит из катушки изолированного провода, источника тока и железного сердечника. Изменяя силу тока или число витков, можно менять действие электромагнита, а выключая ток — управлять им.

Электромагнитная индукция — возникновение электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного поля через контур. Ток называют индукционным, а его направление зависит от того, как меняется поле. Это явление позволяет превращать движение в электрический ток.

Как это устроено

Связь электричества и магнетизма обнаружил Эрстед: рядом с проводом, по которому шёл ток, отклонялась магнитная стрелка. Ток означает упорядоченное движение зарядов, поэтому вокруг проводника возникает магнитное поле. Когда ток выключают, его поле исчезает, а при смене направления тока меняется и направление поля. Опыт показывает, что электрический ток может быть источником магнитного действия.

Если проводник с током поместить в магнитное поле, поле действует на движущиеся в нём заряды и передаёт воздействие самому проводнику. Возникающую силу называют силой Ампера; она может сдвинуть или повернуть проводник. Её направление зависит и от направления тока, и от направления магнитного поля: при изменении одного из них сила меняет направление. Для определения используют правило левой руки, а величину силы для прямого участка вычисляют по формуле F = BIl sin α.

В катушке магнитные поля отдельных витков складываются, поэтому она действует как магнит с северным и южным полюсами. Если увеличить силу тока или число витков, поле катушки становится сильнее. Железный сердечник внутри катушки намагничивается и добавляет собственное поле, усиливая общий эффект. Так устроен электромагнит; ток в нём можно включать и выключать, а действие регулировать.

Индукционный ток появляется, когда меняется магнитное поле, проходящее через замкнутый контур. Например, при приближении магнита к катушке меняется поле через её витки, и в цепи возникает ток. Если магнит неподвижен относительно катушки, поле через контур остаётся постоянным и тока нет. Значит, важно не просто наличие магнита рядом, а изменение магнитного воздействия на контур.

Правило правой руки связывает направление тока в прямом проводнике с направлением его магнитных линий: большой палец направляют по току, а согнутые пальцы показывают направление поля. Правило левой руки применяют к силе Ампера: поле входит в ладонь, пальцы направлены по току, большой палец показывает силу. Для индукционного тока действует правило Ленца: его магнитное поле противодействует изменению, вызвавшему ток. Сначала определяют, усиливается или ослабевает исходное поле, затем выбирают направление тока, создающее нужное противодействие.

Основные электромагнитные явления

В таблице проследи переход от причины к наблюдаемому результату: он показывает, какой эффект можно ожидать в опыте. Последний столбец связывает явление с устройствами, где оно используется. Например, электродвигатель работает благодаря действию поля на ток, а генератор — благодаря индукции.

Разбор задач

Задача 1. Ток в прямом проводнике направлен вверх. Нужно определить направление магнитных линий вокруг него. Для этого применим правило правой руки, которое связывает направление тока с направлением поля. Представим проводник вертикальным и посмотрим на него сверху.

1. Направим большой палец правой руки вверх, вдоль условного направления тока.
2. Согнутые пальцы покажут, как охватывают проводник магнитные линии.
3. Если смотреть сверху, пальцы идут против часовой стрелки; значит, так направлено поле вокруг проводника.

Ответ: магнитные линии направлены против часовой стрелки при взгляде сверху. Если изменить направление тока на противоположное, поле тоже изменит направление.

Задача 2. Длина проводника l = 0,2 м, сила тока I = 3 А, магнитная индукция B = 0,5 Тл. Проводник перпендикулярен линиям поля. Требуется найти силу Ампера. Угол α между током и полем равен 90°, поэтому sin α = 1.

1. Записываем формулу: F = BIl sin α.
2. Подставляем данные: F = 0,5 · 3 · 0,2 · 1.
3. Вычисляем: F = 0,3 Н. Единица силы — ньютон.

Ответ: на проводник действует сила 0,3 Н. При наклонном расположении проводника пришлось бы учитывать множитель sin α, а при направлении вдоль поля сила была бы равна нулю.

Задача 3. Магнит вдвигают в замкнутую катушку, затем останавливают. Нужно объяснить появление и исчезновение тока, а также определить его направление. Само расположение полюса магнита и направление движения в условии не уточнены, поэтому единственное направление тока назвать нельзя. Его находят по правилу Ленца для заданного полюса и движения.

1. При вдвигании магнита магнитное поле через катушку меняется, поэтому возникает индукционный ток.
2. По правилу Ленца определяем, какое поле создаёт ток: оно должно противодействовать приближению магнита. Если приближается северный полюс, обращённая к нему сторона катушки тоже становится северным полюсом.
3. Определяем направление тока по правилу правой руки: большой палец направляем к стороне катушки, которая должна стать северным полюсом, а согнутые пальцы показывают направление тока в витках.
4. Когда магнит остановился, изменение поля прекратилось, поэтому индукционный ток исчезает.

Ответ: ток возникает только во время изменения поля и направлен так, чтобы препятствовать движению магнита; после остановки магнита ток прекращается.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что любое электрическое поле является магнитным. Её допускают, потому что оба поля связаны с электрическими зарядами, но магнитное поле создают движущиеся заряды или токи. Проверь себя: неподвижный заряд создаёт электрическое поле, а движущийся — также магнитное.

Иногда направление магнитных линий путают с направлением движения электронов. В физике направление тока условно совпадает с движением положительных зарядов, поэтому в металле оно противоположно движению электронов. Перед применением правила правой руки уточни, какое направление тока дано, и не подменяй его движением электронов.

При использовании правила левой руки можно неверно развернуть ладонь или забыть направление одного из векторов. Тогда найденная сила получится противоположной. Проверь, что линии поля входят в ладонь, пальцы направлены по току, а отставленный большой палец показывает силу; при смене направления тока или поля сила должна поменять направление.

Наличие магнита рядом с катушкой само по себе не гарантирует появление индукционного тока. Ошибку вызывает смешение условия «поле есть» с условием «поле меняется». Для проверки сравни поле через контур в разные моменты: если оно не изменяется или контур не замкнут, индукционного тока не будет.

Связь с другими темами

Для изучения темы нужны понятия электрического тока, силы тока, напряжения, сопротивления, электрической цепи и движения зарядов. Они помогают описывать, какие заряды движутся и как устроена цепь. Без замкнутого контура индукционный ток протекать не сможет.

Связь с механикой проявляется в действии силы Ампера и силы Лоренца — силы, действующей на движущийся заряд в магнитном поле. Они могут вызвать перемещение или поворот тела, поэтому магнитное воздействие описывают как действие силы. Эти знания используют при объяснении вращения электродвигателя.

Электромагнитные явления лежат в основе двигателей, генераторов и трансформаторов, а также применяются в радиосвязи и электротехнических устройствах. Двигатели преобразуют электрическую энергию в механическую, генераторы — механическую в электрическую. Понимание поля и индукции помогает объяснить работу этих приборов.

Что запомнить

• Движущийся электрический заряд создаёт магнитное поле.
• Магнитное поле действует на движущиеся заряды и проводники с током.
• Электромагнит усиливается при увеличении силы тока, числа витков и использовании железного сердечника.
• Сила Ампера действует на проводник с током, помещённый в магнитное поле.
• Индукционный ток возникает только при изменении магнитного поля через замкнутый контур.
• Направление индукционного тока определяется правилом Ленца: его действие противодействует причине возникновения.
• Электромагнитные явления лежат в основе работы двигателей, генераторов и трансформаторов.