Введение
Сегодняшний урок будет посвящен явлению электромагнитной индукции. Явлением электромагнитной индукции называется явление возникновения электрического тока в проводнике под действием переменного магнитного поля.
Важно, что в данном случае проводник должен быть замкнут. В начале XIX в. после опытов датского ученого Эрстеда стало ясно, что электрический ток создает вокруг себя магнитное поле. После встал вопрос о том, нельзя ли получить электрический ток за счет магнитного поля, т.е. произвести обратные действия. Если электрический ток создает магнитное поле, то, наверное, и магнитное поле должно создавать электрический ток. В первой половине XIX века ученые обратились именно к таким опытам: стали искать возможность создания электрического тока за счет магнитного поля.
Опыты Фарадея
Впервые удалось достичь успех в этом (т.е. получить электрический ток за счет магнитного поля) английскому физику Майклу Фарадею. Итак, обратимся к опытам Фарадея.
Рис. 1. Опыт, аналогичный опыту Фарадея. При движении магнита в катушке, в ее цепи регистрируется электрический ток
Первая схема была довольно простой. Во-первых, М. Фарадей использовал в своих опытах катушку с большим числом витков. Катушка накоротко была присоединена к измерительному прибору, миллиамперметру (мА). Нужно сказать, что в те времена не было достаточно хороших инструментов для измерения электрического тока, поэтому пользовались необычным техническим решением: брали магнитную стрелку, располагали рядом с ней проводник, по которому протекал ток, и по отклонению магнитной стрелки судили о протекающем токе. Так вот в данном случае токи могли быть очень невелики, поэтому использовался прибор мА, т.е. тот, который измеряет маленькие токи.
Вдоль катушки М. Фарадей перемещал постоянный магнит – относительно катушки магнит двигался вверх и вниз.
Обращаем ваше внимание на то, что в этом эксперименте впервые было зафиксировано наличие электрического тока в цепи в результате изменения магнитного потока, который проходит сквозь катушку.
Фарадей обратил внимание и на тот факт, что стрелка мА отклоняется от своего нулевого значения, т.е. показывает, что в цепи существует электрический ток только тогда, когда магнит движется. Стоит только магниту остановиться, стрелка возвращается в первоначальное положение, в нулевое положение, т.е. никакого электрического тока в цепи в этом случае нет.
Вторая заслуга Фарадея – установление зависимости направления индукционного электрического тока от полярности магнита и направления его движения. Стоило Фарадею изменить полярность магнитов и пропускать магнит через катушку с большим числом витков, как тут же менялось направление индукционного тока, того, который возникает в замкнутой электрической цепи.
Т.о. мы пришли к тому, с чего начинали урок: подтвердилась гипотеза, что электрический ток возникает, когда изменяется магнитное поле.
Итак, некоторое заключение. Изменяющееся магнитное поле создает электрический ток. Направление электрического тока зависит от того, какой полюс магнита проходит в данный момент через катушку, в каком направлении движется магнит.
И еще: оказывается, на значение электрического тока влияет количество витков в катушке. Чем больше витков, тем и значение тока будет больше.
Обратимся теперь ко второму эксперименту Фарадея. В чем он заключался?
Рис. 2. Второй эксперимент по исследованию явления электромагнитной индукции
Две катушки размещались близко друг с другом. Одна катушка с большим числом витков подключалась к источнику тока, в этой цепи был ключ, который замыкал и размыкал цепь. Вторая катушка, тоже с большим числом витков, подключенная к миллиамперметру напрямую, никаких источников тока нет. Как только цепь замыкалась, миллиамперметр показывал наличие электрического тока в цепи. Как только цепь размыкалась, миллиамперметр вновь регистрировал наличие электрического тока, но направление электрического тока изменялось на противоположное. Пока цепь была замкнута, т.е. пока в цепи протекал электрический ток, миллиамперметр никакого тока в электрической цепи не регистрировал.
Выводы из экспериментов
Какие выводы были сделаны М.Фарадеем в результате этих экспериментов? Индукционный электрический ток появляется в замкнутой цепи только тогда, когда существует переменное магнитное поле. Причем это магнитное поле должно изменяться.
От чего зависит индукционный ток?
Если изменения магнитного поля не происходит, то не будет никакого электрического тока. Даже если магнитное поле существует. Мы можем сказать, что индукционный электрический ток прямо пропорционален, во-первых, числу витков, во-вторых, скорости магнитного поля, с которой изменяется это магнитное поле относительно витков катушки.
Рис. 3. От чего зависит величина индукционного тока?
Для характеристики магнитного поля используется величина, которая называется магнитный поток. Она характеризует магнитное поле в целом, мы об этом будем говорить на следующем уроке. Сейчас отметим лишь, что именно изменение магнитного потока, т.е. числа линий магнитного поля, пронизывающих контур с током (катушку, например), приводит к возникновению в этом контуре индукционного тока.
Список дополнительной литературы:
А так ли хорошо знакома вам электромагнитная индукция? // Квант. — 1989. — № 6. — С. 40-41. Лившиц М. Закон электромагнитной индукции или «правило потока»? // Квант. — 1998. — № 3. — С. 37-38. Элементарный учебник физики. Под ред. Г.С. Ландсберга. Т. 2. – М., 1974. Яворский Б.М., Пинский А.А. Основы физики. Т.2. – М.: Физматлит, 2003.
