22.04. Тема. Явище електромагнітної індукції

1. Історія відкриття явища електромагнітної індукції

Виявлена Ерстедом 1820 р. дія електричного струму на магнітну стрілку показала, що електричні та магнітні явища, які вважалися до цього ізольованими, взаємозалежні. Однак дослід Ерстеда показав тільки один бік цього зв’язку – породження магнітного поля електричним струмом. Англійський фізик Майкл Фарадей, довідавшись про досліди Ерстеда, почав пошуки зв’язку магнітних явищ з електричними. Він поставив собі на меті дослідити: “Якщо електричний струм створює магнітне поле, то чи не можна за допомогою магнітного поля одержати електричний струм?” Пошуки Фарадея тривали з 1821 р. по 1831 р. Він провів велику роботу і виявив винахідливість, наполегливість і завзятість, поки, нарешті, не одержав електричний струм за допомогою магнітного поля. Відкривши явище електромагнітної індукції, Фарадей довів, що магнітне поле може породжувати електричний струм. На основі цього явища заснована сьогодні дія генераторів електричного струму на всіх електростанціях Землі.

Час довів, наскільки велике значення мало відкриття Фарадея. Повторюючи слова Гельмгольца, можна з впевненістю сказати: “Поки люди користуватимуться благами електрики, вони будуть пам’ятати ім’я Фарадея”.

2. Досліди Фарадея

Повторити досліди Фарадея, що стали відомими, сьогодні може кожний. Зупинімося на двох основних серіях дослідів:

– виникнення індукційного струму в котушці під час вставляння магніту;

– виникнення індукційного струму в одній котушці під час зміни струму в іншій котушці.

Перша серія дослідів пов’язана з виникненням індукційного струму в котушці під час вставляння й висування магніту.

Дослід показує, що струм у котушці виникає й у тому випадку, коли магніт нерухомий, а котушка надівається чи знімається з нього. Таким чином, індукційний струм виникає під час руху магніту й котушки відносно одне одного.

У другій серії дослідів з виникнення індукційного струму постійний магніт можна замінити котушкою зі струмом: адже котушка зі струмом має властивості магніту. Однак при заміні магніту котушкою зі струмом з’являється додаткова можливість: змінюючи струм у котушці, можна змінювати створюване нею магнітне поле, не рухаючи котушки одну відносно іншої.

3. Явище електромагнітної індукції

На підставі виконаних дослідів можна зробити висновок: для порушення електричного струму в замкненому контурі необхідно змінювати магнітне поле, що пронизує цю котушку. Відкрите Фарадеєм явище назвали явищем електромагнітної індукції (від латинського слова “induction” – наведення).

* Явище виникнення електричного струму в замкненому провідному контурі внаслідок зміни магнітного поля, що пронизує контур, називають електромагнітною індукцією, а струм, що виникає при цьому, – індукційним.

4. Напрямок індукційного струму

Щоб визначити напрямок індукційного струму, скористаємося замкнутою котушкою. Якщо змінювати магнітне поле, що пронизує котушку, то в котушці виникатиме індукційний струм. У результаті котушка сама стає магнітом. Як відомо, два магніти взаємодіють: вони відштовхуються або притягуються.

Дослід показує, що при наближенні магніту до котушки вона відштовхуватиметься від магніту (незалежно від полюса магніту). Це означає, що в котушці виникає індукційний струм такого напрямку, що вона виявляється поверненою до магніту однойменним полюсом.

Якщо ж магніт віддаляти від котушки, то котушка буде притягатися до магніту. Це означає, що в цьому випадку індукційний струм має такий напрямок, що котушка виявляється поверненою до магніту протилежним полюсом.

Знаючи напрямок магнітного поля котушки, можна визначити напрямок індукційного струму, скориставшись правилом свердлика.

Для успішного розв’язання задач учням може бути запропоноване таке формулювання для знаходження напрямку індукційного струму:

* поля, струми й сили, що виникають у процесах індукції, завжди перешкоджають тому процесу, що викликає явище електромагнітної індукції.

Ця закономірність називається правилом Ленца.

5. Причини виникнення індукційного струму

Отже, індукційний струм виникає тільки у разі зміни магнітного поля, що пронизує контур. Якщо провідний контур (наприклад, котушка з проводом) перетинає силові лінії магнітного поля, то в контурі виникає індукційний струм. При цьому вільні заряди в контурі рухаються під дією сили з боку магнітного поля.

Розглянемо тепер виникнення індукційного струму в нерухомому контурі (котушці). Виникнення індукційного струму в нерухомому провіднику не можна пояснити дією магнітного поля на вільні заряди, адже на нерухомі частки магнітне поле не діє.

Значить, виникнення індукційного струму в нерухомому провіднику можна пояснити тільки тим, що на вільні заряди діє сила з боку електричного поля.

Отже, змінне магнітне поле породжує електричне поле.

Саме електричне, а не магнітне поле діє на вільні заряджені частки в провіднику і створює, таким чином, індукційний струм.

* Явище електромагнітної індукції полягає в тому, що змінне магнітне поле породжує (індукує) електричне поле. (Замкнута ж на гальванометр котушка дозволить це поле знайти).

Питання:

– Що спільного у всіх дослідах, що дозволяють знайти індукційний струм?

– У чому полягають розбіжності в одержанні індукційного струму в дослідах Фарадея?

– За якого руху магніту всередині котушки індукційний струм не виникає?

– Як потрібно рухати магніт або котушку, щоб у них виник індукційний струм?

 Якісні питання

1. Замкнене металеве кільце рухається в однорідному магнітному полі поступально. Чи виникає індукційний струм у кільці? Чому?

2. Чому іноді неподалік від місця удару блискавки можуть розплавитися запобіжники в освітлювальній мережі та вийти з ладу чутливі електровимірювальні прилади?

3. Котушка замкнена на гальванометр. За яких дослідів можливе відхилення стрілки приладу? Наведіть приклади.

Висновки:

– Явище виникнення електричного струму в замкненому провідному контурі внаслідок зміни магнітного поля, що пронизує контур, називають електромагнітною індукцією, а струм, що виникає при цьому, – індукційним.

– Поля, струми й сили, що виникають у процесі індукції, завжди перешкоджають тому процесу, що викликає явище електромагнітної індукції.

– Явище електромагнітної індукції полягає в тому, що змінне магнітне поле породжує (індукує) електричне поле.

Домашнє завдання: опрацювати конспект