Конспект урока: Опыты Фарадея. Электромагнитная индукция

Опыты Фарадея. Электромагнитная индукция. Электромагнитное поле

Если электрический ток способен порождать магнитное поле, может ли магнитное поле быть источником тока?

В 1831 г. английский учёный Майкл Фарадей (1791–1867) доказал, что магнитное поле может порождать электрический ток в замкнутой цепи. 

Воспроизведём некоторые из опытов, которые провёл учёный.
 

Для этого нам понадобится катушка с большим количеством витков, замкнутая на гальванометр, и постоянный магнит (рис. 1). В начале эксперимента магнит находится в неподвижном состоянии, гальванометр показывает отсутствие тока в цепи (рис. 1, а).

Рис. 1. Взаимное перемещение постоянного магнита и катушки приводит к возникновению индукционного тока

Если начать вводить магнит внутрь катушки, гальванометр зафиксирует наличие тока (рис. 1, б). При этом в момент прекращения движения магнита ток в цепи пропадает.
 

Аналогичная ситуация наблюдается, если вынимать магнит из катушки: в цепи снова появится ток, но в этом случае ток в цепи будет протекать в противоположном направлении, о чём свидетельствуют показания амперметра (рис. 1, в).

Наличие тока также можно будет наблюдать, если проделать противоположные действия: зафиксировать магнит в неподвижном состоянии и перемещать катушку. Таким образом, при взаимном перемещении постоянного магнита и катушки в замкнутой цепи возникает электрический ток. Ток прекращается, когда заканчивается движение магнита и катушки. Наблюдаемое явление получило название явление электромагнитной индукции.

Отметим, что в ходе экспериментов Фарадей установил, что для получения индукционного тока с помощью подвижной катушки и неподвижного магнита необязательно перемещать катушку вверх или вниз. Гальванометр зафиксирует ток при любом изменении ориентации катушки относительно магнита.

Так как при движении магнита в противоположные стороны ток в цепи также имеет разное направление, можно сделать вывод, что направление индукционного тока зависит от направления движения магнита.
 

Рассмотрим ещё один опыт. Для этого соберём установку, состоящую из двух катушек (рис. 2). Катушка 2, как и в предыдущем опыте, замкнута только на гальванометр. Катушка 1 подключена к источнику постоянного тока. В начальный момент обе катушки находятся в неподвижном состоянии, индукционного тока в цепи нет (рис. 2, а). Если привести в движение любую из катушек, гальванометр покажет, что в цепи появился ток (рис. 2, б).

Рис. 2. Взаимное перемещение двух катушек приводит к возникновению индукционного тока

С данной установкой можно провести ещё один эксперимент: обе катушки находятся в состоянии покоя, ключ разомкнут. В момент замыкания ключа ток в катушке 1 начнёт быстро нарастать, гальванометр зафиксирует индукционный ток. Спустя короткий промежуток времени ток в катушке, подключённой к источнику, примет постоянное значение, стрелка гальванометра окажется на нуле. Таким образом, индукционный ток в катушке 2 возникает, если в катушке 1 течёт переменный ток.
 

Все рассмотренные эксперименты имеют одну общую черту: индукционный ток возникает всякий раз, когда изменяется количество магнитных линий, проходящих через замкнутый контур. 

Например, при введении магнита в катушку (рис. 1, б) количество магнитных линий, проходящих через контур катушки, увеличивается. При выведении магнита из катушки (рис. 1, в) — уменьшается. Именно в эти моменты гальванометр показывает наличие тока в замкнутой цепи.

Исследуя явление электромагнитной индукции, Фарадей установил: чем быстрее перемещается магнит относительно катушки, тем больше величина индукционного тока.

В 1833 г. русским физиком Эмилем Ленцом (1804–1865) было определено и сформулировано правило для определения направления индукционного тока.

Рис. 3. При приближении магнита кольцо будет отталкиваться

 

Например, при приближении магнита к замкнутому кольцу (рис. 3) количество магнитных линий, пронизывающих площадь кольца, будет увеличиваться. В кольце возникнет индукционный ток. Согласно правилу Ленца, в контуре возникнет ток такого направления, что его магнитное поле будет препятствовать дальнейшему приближению магнита. 

В результате взаимодействия двух магнитных полей кольцо начнёт отталкиваться от магнита.

Явление электромагнитной индукции заключается в том, что переменное магнитное поле способно порождать электрическое поле. Впоследствии английским учёным Джеймсом Максвеллом было доказано, что переменное электрическое поле также порождает магнитное поле. Таким образом, переменное магнитное поле не может существовать отдельно от электрического, а переменное электрическое — отдельно от магнитного. Переменное электрическое и магнитное поля являются частями единого электромагнитного поля.

Открытие Максвеллом электромагнитного поля дало резкий толчок развитию науки.
 

Так, большая часть электрогенераторов, используемых на электростанциях, преобразует механическую энергию в электрическую: вращение замкнутой рамки в поле постоянного магнита приводит к возникновению индукционного тока в рамке. Такие генераторы называются индукционными.
 

После открытия теории электромагнитного поля, помимо энергетической отрасли, развитие получили такие области науки, как электротехника, радиотехника и многие другие.

Итоги

• Явление электромагнитной индукции — это процесс возникновения электрического тока в замкнутом контуре при любом изменении количества линий магнитной индукции, пронизывающих площадь данного контура. Полученный таким образом ток называется индукционным .
• Закон электромагнитной индукции Фарадея : сила индукционного тока в замкнутом контуре прямо пропорциональна скорости изменения количества магнитных линий, пронизывающих площадь данного контура.
• Правило Ленца : индукционный ток в замкнутом контуре имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле стремится компенсировать вызвавшее этот ток изменение количества магнитных линий, которые пронизывают данный замкнутый контур.
• Изменяющиеся магнитное и электрическое поля не могут существовать отдельно друг от друга.