Вам уже известно, что электрическое поле возникает вокруг электрических зарядов, а магнитное — вокруг постоянных магнитов и постоянных электрических токов, которые проходят в неподвижных проводниках. Однако интереснее оказались исследования явлений в электрических и магнитных полях, изменяющихся с течением времени. Они начались после того, как в 1820 г. Эрстед открыл явление возникновения магнитного поля вокруг проводника с током.
Если электрический ток создает магнитное поле, то логично предположить существование обратного явления: возникновение электрического тока в проводнике при помещении его в магнитное поле. Многочисленные попытки обнаружить явление не принесли ожидаемых результатов. В неподвижных замкнутых проводниках, помещенных в наиболее мощные на то время магнитные поля, электрический ток не возникал.
В 1831 г. выдающийся английский физик Майкл Фарадей экспериментально открыл явление электромагнитной индукции, ставшее почвой для создания всей современной электротехники и радиотехники. Его нельзя было предсказать на основе известных в то время сведений о магнитных полях и электрических токах. Выяснилось, что электрический ток все-таки возникает в неподвижном замкнутом проводнике, помещенном в магнитное поле, но лишь при изменении этого магнитного поля.
Опыты Фарадея, которые привели к открытию явления электромагнитной индукции, достаточно просты, их легко провести в условиях школы.
Опыт 1. Присоединим к гальванометру длинный гибкий проводник и поместим его между полюсами магнита (рис. 58). Если проводник и магнит неподвижны, то тока в проводнике нет. При перемещении проводника гальванометр сразу фиксирует в нем наличие тока.
Если при перемещении проводника в одном направлении стрелка гальванометра отклоняется, например вправо, то при движении в обратном направлении стрелка будет отклоняться влево, что свидетельствует об изменении направления тока в проводнике.
Ток в проводнике возникает и в случае перемещения магнита относительно проводника.
Опыт 2. Присоединим к гальванометру катушку. Если в эту катушку вводить или выводить магнит (рис. 59), то гальванометр также будет фиксировать возникновение электрического тока в цепи. Если магнит неподвижен - тока нет.
Опыт 3. Закрепим полосовой магнит в штативе и наденем катушку, присоединив ее к гальванометру, на магнит (рис. 60). В катушке снова возникает электрический ток. Этот ток протекает только при движении катушки относительно магнита и изменяет свое направление при изменении направления движения катушки.
Опыт 4. Замкнем катушку 2 через гальванометр и вставим в нее катушку 1, которую можно присоединить к источнику тока (рис. 61). В момент замыкания цепи катушки 1 стрелка гальванометра отклоняется, то есть при изменении (возникновении) магнитного поля катушки 1 по катушке 2 протекает электрический ток. Но после установления в катушке 1 тока магнитное поле перестает меняться, ток в катушке 2 исчезает — стрелка гальванометра устанавливается на нуле.
Разомкнем цепь катушки. При исчезновении в ней тока, а вместе с ним и его магнитного поля, стрелка гальванометра отклоняется в противоположную сторону. Это означает, что в катушке 2 возникает электрический ток, направление которого обратно тому, который проходил при замыкании катушки 1. В этих опытах при замыкании цепи катушки 1 возникает магнитное поле, а при размыкании - исчезает. В результате таких изменений магнитного поля в катушке возникает переменный ток, который называют индукционным. В цепь катушки 1 можно включить реостат, и им изменять силу тока в цепи. Легко убедиться, что при увеличении силы тока в цепи катушки 1 в катушке 2 возникает индукционный ток одного направления, а при уменьшении - ток противоположного направления. В результате изменения силы тока в катушке 1 меняется и магнитное поле тока, при этом в катушке 2 возникает индукционный ток.
Явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре, который либо неподвижен в переменном магнитном поле, либо перемещается в постоянном магнитном поле так, что количество линий магнитной индукции, которые пересекают плоскость, ограниченную контуром, меняется, называют электромагнитной индукцией.
Индукционный ток — электрический ток, возникающий в проводящем контуре при изменении индукции магнитного поля через этот контур вследствие явления электромагнитной индукции.
Из данных примеров следует, что индукционный электрический ток возникает при изменении в пространстве или во времени интенсивности магнитного поля, линии которого окружают проводник замкнутого контура. Изучая свойства электромагнитов, мы узнали, что интенсивность магнитного поля катушки с током можно менять, регулируя в ней силу тока. Видим, что такие изменения можно выполнить разными способами.
Нам известно, что графически магнитное поле изображают с помощью магнитных линий. Оказалось, что в местах поля, где его интенсивность меньше, линии проходят реже, а где больше, — размещаются гуще. Поля с переменными плотностью и направлением линий называют неоднородными. Если плотность и направление линий постоянны, то есть магнитные линии параллельны, а расстояния между соседними линиями одинаковы, то такое поле называют однородным. К однородным приближаются магнитные поля внутри длинной катушки с током или в пространстве между широкими полюсами постоянных магнитов.
Оказалось, что в замкнутом проводящем контуре индукционный ток возникает только при изменении плотности магнитных линий, пронизывающих этот контур. При этом чем больше скорость изменения магнитного поля, тем
больше значение индукционного тока. Проводник, перемещаясь, обязательно должен пересекать магнитные линии. Если проводник контура движется вдоль магнитных линий, или катушка перемещается поступательно в однородном магнитном поле, то индукционный ток не возникает.
Индукционный ток, возникающий в проводнике, может иметь разные направления. Опыты и наблюдения показывают, что направление индукционного тока в проводнике, движущемся в магнитном поле, зависит от направления линий магнитного поля и направления движения проводника.
На практике направление индукционного тока в подвижном проводнике определяют по правилу правой руки (рис. 62).
Если ладонь правой руки разместить так, чтобы в нее входили линии магнитного поля, а отведенный под прямым углом большой палец указывал направление движения проводника, то вытянутые четыре пальца руки укажут направление индукционного тока в проводнике.
ВОПРОСЫ К ИЗУЧЕННОМУ
1. Приведите примеры, когда в замкнутом проводнике, помещенном в магнитное поле, возникает индукционный ток.
2. Что происходит, если в катушку, соединенную с гальванометром, вводить магнит или выводить его из катушки?
3. Что происходит со стрелкой гальванометра, соединенного с проводником, если проводник неподвижен либо движется, не пересекая силовых линий магнитного поля?
4. При каких условиях сила тока в замкнутом проводнике увеличивается?
5. Что такое явление электромагнитной индукции? Кто его открыл?
6. От чего зависит направление индукционного тока в проводнике, который перемещается в магнитном поле?
Лабораторная работа № 2
Наблюдение явления электромагнитной индукции
Цель работы: исследовать явление электромагнитной индукции. Приборы и материалы: источник тока, ключ, соединительные провода, реостат, гальванометр, катушка от трансформатора, полосовые магниты, электромагнит.
Ход работы
Для выполнения работы внимательно рассмотрите рисунки 59-61 (см. с. 34).
К гальванометру подсоедините катушку, в которую может свободно входить магнит.
1. Проверьте, когда в этой катушке возникает индукционный электрический ток. Сделайте выводы.
2. Вместо одного магнита воспользуйтесь двумя изготовленными магнитами, но скорость их движения не изменяйте. Как это отразилось на силе индукционного тока?
3. Воспользуйтесь одним магнитом, но двигайте его с большей или меньшей скоростью. Наблюдайте за силой индукционного тока. Сделайте выводы.
4. Можно ли сделать общий вывод о качественном подтверждении закона электромагнитной индукции? Сделайте этот вывод.
5. Вводите или выводите электромагнит из катушки, соединенной с гальванометром.
6. Оставив электромагнит в катушке, увеличивайте или уменьшайте силу тока в нем с помощью реостата.
7. Сделайте выводы, когда в этих опытах возникает индукционный ток.
Для любознательных
Соедините клеммы двух демонстрационных гальванометров проводами, а потом, покачивая один из них, вы заметите, что во втором приборе стрелка колеблется. Объясните результаты опыта.
Это материал учебника Физика 9 класс Сиротюк