Электромагнитная индукция

Определения и обозначения

Электромагнитная индукция — возникновение электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока через него. Причиной служит не само магнитное поле, а изменение его действия на контур. Это явление позволяет получать электрическую энергию с помощью генераторов.

Магнитный поток — величина, характеризующая магнитное поле, пронизывающее поверхность контура; обозначается Φ, единица измерения — вебер (Вб). Для однородного поля Φ = BS cos α, где B — магнитная индукция, S — площадь контура, α — угол между полем и перпендикуляром к поверхности. Поток помогает определить, изменилось ли магнитное воздействие на контур.

Индукционный ток — ток, возникающий в замкнутом проводящем контуре вследствие электромагнитной индукции. Он появляется только при наличии замкнутого пути для движения зарядов. Его направление находят по правилу Ленца.

ЭДС индукции — величина, характеризующая действие электрического поля, создающего индукционный ток; обозначается ε. По модулю ε = |ΔΦ|/Δt, то есть ЭДС равна скорости изменения магнитного потока. Она может возникнуть и в разомкнутом контуре, хотя тока в нём тогда не будет.

Как это устроено

Катушку соединяют с гальванометром и вводят в неё магнит. Пока магнит движется, стрелка прибора отклоняется, значит, в катушке появляется ток. Если остановить магнит, стрелка возвращается к нулю: постоянное поле неподвижного магнита тока не создаёт. При движении магнита в обратную сторону стрелка отклоняется противоположно, потому что изменение потока стало другим.

Магнитный поток может изменяться несколькими способами. Если усиливается или ослабевает магнитное поле, меняется B; если меняется размер контура, меняется S. При повороте контура изменяется угол α между полем и перпендикуляром к его поверхности. Любая из этих причин способна вызвать ЭДС индукции.

Закон электромагнитной индукции записывают так: ε = |ΔΦ|/Δt. Здесь ΔΦ — изменение магнитного потока, а Δt — промежуток времени, за который оно произошло. Чем больше изменение потока и чем меньше время, тем больше ЭДС. Если цепь замкнута и её сопротивление равно R, силу тока находят по закону Ома: I = ε/R.

Правило Ленца определяет направление индукционного тока: его магнитное поле противодействует причине, вызвавшей изменение потока. Например, при приближении северного полюса магнита ближайший торец катушки становится северным и отталкивает магнит. При удалении тот же торец становится южным и как бы стремится удержать магнит. В разомкнутом контуре изменение потока создаёт ЭДС и разделение зарядов, но непрерывного тока нет.

Условия возникновения и характеристики электромагнитной индукции

В таблице сначала найдите, что именно изменяется, затем определите наличие ЭДС и замкнутость цепи. Направление тока устанавливают по правилу Ленца, а для движущегося проводника дополнительно используют правило левой руки.

Разбор задач

Задача 1. Северный полюс магнита приближают к катушке. Нужно определить полюс ближайшего торца и направление тока. Используем не запоминание положения полюсов, а правило Ленца.

1. Поток магнитного поля магнита через катушку увеличивается.
2. Катушка должна противодействовать приближению, поэтому её ближайший торец становится северным.
3. Ток направляют так, чтобы по правилу правой руки созданное катушкой поле выходило из этого торца. Если смотреть со стороны магнита, ток идёт против часовой стрелки.

Ответ: ближайший торец катушки — северный; направление тока — против часовой стрелки при взгляде со стороны магнита.

Задача 2. Поток уменьшился с 0,020 Вб до 0,005 Вб за 0,10 с, сопротивление цепи 0,5 Ом. Сначала находим изменение потока, затем ЭДС и ток.

1. |ΔΦ| = 0,020 − 0,005 = 0,015 Вб.
2. ε = |ΔΦ|/Δt = 0,015/0,10 = 0,15 В.
3. I = ε/R = 0,15/0,5 = 0,30 А.

Ответ: модуль ЭДС равен 0,15 В, сила индукционного тока — 0,30 А.

Задача 3. Проводник длиной 0,40 м движется со скоростью 3 м/с перпендикулярно полю B = 0,50 Тл; сопротивление цепи 2 Ом. Для движущегося проводника применяем ε = Blv.

1. ε = 0,50 · 0,40 · 3 = 0,60 В.
2. I = ε/R = 0,60/2 = 0,30 А.
3. Направление находят по правилу Ленца или левой руки: ток должен создавать поле, противодействующее изменению потока. Для точного указания «по часовой» нужна схема направления движения и поля.

Ответ: ЭДС равна 0,60 В, ток — 0,30 А; направление определяется по правилу Ленца.

Типичные ошибки

Ошибка: считать любой ток в проводе индукционным. Её допускают, потому что связывают индукцию просто с магнитным полем. Проверьте себя: был ли замкнутый контур и изменялся ли поток через него?

Ошибка: утверждать, что ток есть при постоянном поле. Неподвижный контур в неизменном поле не испытывает изменения потока. Если все части системы неподвижны и поле постоянно, ЭДС индукции равна нулю.

Ошибка: говорить, что ток направлен против внешнего поля. Правило Ленца относится не к самому полю, а к его изменению. Спросите себя, поток увеличивается или уменьшается, и только затем выбирайте направление собственного поля.

Ошибка: забывать о разомкнутой цепи. Изменение потока создаёт ЭДС, но без замкнутого пути заряд не совершает непрерывное движение. В условии задачи отдельно проверьте, замкнут ли контур.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны магнитное поле, магнитная индукция, силовые линии и способы определения направления магнитного поля. Также пригодятся понятия электрического тока, напряжения, сопротивления и закон Ома. Электромагнитная индукция объясняет работу генераторов, трансформаторов и электродвигателей, а значит, связана с производством и передачей электроэнергии.

Что запомнить

• Электромагнитная индукция возникает при изменении магнитного потока через контур.
• Индукционный ток существует только в замкнутом проводящем контуре.
• Магнитный поток зависит от магнитной индукции, площади контура и его ориентации.
• Чем быстрее изменяется магнитный поток, тем больше ЭДС индукции.
• Направление индукционного тока определяют по правилу Ленца.
• Индукционный ток противодействует изменению магнитного потока.
• Электромагнитная индукция лежит в основе работы генераторов и трансформаторов.