Фізика. 9 клас. Бар’яхтар

§ 8. Досліди Фарадея. Явище електромагнітної індукції. Індукційний електричний струм

Досліди Г. Ерстеда та А. Ампера (див. § 1) показали, що електричний струм створює магнітне поле. А чи можна зробити навпаки, тобто за допомогою магнітного поля отримати електричний струм? 29 серпня 1831 р. після понад 16 тисяч дослідів англійський фізик і хімік Майкл Фарадей одержав електричний струм за допомогою магнітного поля постійного магніту. У чому полягали досліди Фарадея та яке значення мало його відкриття?

1. Повторюємо досліди Фарадея

Візьмемо котушку, замкнемо її на гальванометр і будемо вводити в котушку постійний магніт. Під час руху магніту стрілка гальванометра відхилиться — це свідчить про наявність електричного струму (рис. 8.1, а). Чим швидше рухати магніт, тим сильнішим буде струм; якщо рух магніту припинити, припиниться й струм — стрілка повернеться на нульову позначку (рис. 8.1, б). Виймаючи магніт із котушки, бачимо, що стрілка гальванометра відхиляється в інший бік (рис. 8.1, в), а після припинення руху магніту знову повертається на нульову позначку.

Рис. 8.1. Виникнення струму в котушці фіксується гальванометром: а — якщо магніт уводити в котушку, стрілка гальванометра відхиляється праворуч; б — якщо магніт нерухомий, струм не виникає і стрілка не відхиляється; в — якщо виводити магніт із котушки, стрілка гальванометра відхиляється ліворуч

Якщо залишити магніт нерухомим, а рухати котушку (або наближаючи її до магніту, або віддаляючи від нього, або повертаючи поблизу полюса магніту), то також спостерігатимемо відхилення стрілки гальванометра.

Тепер візьмемо дві котушки — А і В — і надінемо їх на спільне осердя (рис. 8.2). Котушку В через реостат приєднаємо до джерела струму, а котушку А замкнемо на гальванометр. Якщо пересувати повзунок реостата, то в котушці А буде йти електричний струм. Струм виникатиме як під час збільшення, так і під час зменшення сили струму в котушці В. А от напрямок струму буде різним: у разі збільшення сили струму стрілка гальванометра відхилятиметься в один бік, а в разі зменшення — в інший. Струм у котушці А виникатиме також у момент замикання та в момент розмикання кола котушки В.

Рис. 8.2. Якщо розімкнути чи замкнути коло котушки В або змінити в ній силу струму, в котушці А виникне струм

Як ви вважаєте, чи виникатиме струм у котушці А (див. рис. 8.2), якщо її рухати відносно котушки В?

Усі розглянуті досліди — це сучасний варіант тих, які протягом 10 років здійснював Майкл Фарадей і завдяки яким він дійшов висновку: у замкненому провідному контурі виникає електричний струм, якщо кількість ліній магнітної індукції, що пронизують поверхню, обмежену контуром, змінюється.

Це явище було названо електромагнітною індукцією, а електричний струм, який при цьому виникає, — індукційним (наведеним) струмом (рис. 8.3).

Рис. 8.3. Виникнення індукційного струму внаслідок зміни кількості ліній магнітної індукції, що пронизують контур: а — контур наближають до магніту; б — послаблюють магнітне поле, в якому розташований контур

Рис. 8.4. До завдання в § 8

Чи виникне в замкненій провідній рамці індукційний струм, якщо рамку поступально (не повертаючи) пересувати між полюсами електромагніта (рис. 8.4)?

2. З'ясовуємо причини виникнення індукційного струму

Ви з’ясували, коли в замкненому провідному контурі виникає індукційний струм. А що ж є причиною його виникнення? Розглянемо два випадки.

1. Провідний контур рухається в магнітному полі (рис. 8.3, а). Якщо провідник рухається в магнітному полі, то вільні заряджені частинки всередині провідника рухаються разом із ним у певному напрямку. На рухомі заряджені частинки магнітне поле діє із певною силою. Саме під дією цієї сили заряджені частинки починають напрямлено рухатися вздовж провідника — в провіднику виникає індукційний електричний струм.

2. Нерухомий провідний контур розташований у змінному магнітному полі (рис. 8.3, б). У цьому випадку сили, що діють з боку магнітного поля, не можуть зробити хаотичний рух заряджених частинок всередині провідника напрямленим. Чому ж у контурі виникає індукційний струм? Річ у тім, що змінне магнітне поле завжди супроводжується появою в навколишньому просторі вихрового електричного поля (силові лінії такого поля є замкненими).

Саме електричне поле, а не магнітне, діє на вільні заряджені частинки в провіднику та надає їм напрямленого руху, створюючи таким чином індукційний струм.

3. Визначаємо напрямок індукційного струму

Для визначення напрямку індукційного струму скористаємося замкненою котушкою. Якщо змінювати магнітне поле, що пронизує котушку (наприклад, наближати або віддаляти магніт), то в котушці виникає індукційний струм. Унаслідок цього котушка сама стає магнітом. Досліди свідчать: 1) якщо магніт наближати до котушки, то котушка буде відштовхуватися від магніту; 2) якщо магніт віддаляти від котушки, то котушка притягуватиметься до магніту.

Це означає:

  • 1) якщо кількість ліній магнітної індукції, що пронизують котушку, збільшується (магнітне поле всередині котушки посилюється), то в ній виникає індукційний струм такого напрямку, що котушка буде обернена до магніту однойменним полюсом (рис. 8.5, а).
  • 2) якщо кількість ліній магнітної індукції, що пронизують котушку, зменшується, то в котушці виникає індукційний струм такого напрямку, що котушка буде обернена до магніту різнойменним полюсом (рис. 8.5, б).

Рис. 8.5. Напрямок індукційного струму в замкненій котушці: а — магніт наближають до котушки; б — магніт віддаляють від котушки

Знаючи полюси котушки та скориставшись правою рукою (див. § 3), можна визначити напрямок індукційного струму. Аналогічно можна визначити напрямок індукційного струму для випадку, коли дві котушки надіто на спільне осердя (див. пункт 5 «Учимося розв’язувати задачі» § 8).

4. Знайомимося з промисловими джерелами електричної енергії

Явище електромагнітної індукції використовують в електромеханічних генераторах, без яких неможливо уявити сучасну електроенергетику.

Електромеханічний генератор — пристрій, в якому механічна енергія перетворюється на електричну.

Щоб зрозуміти принцип дії електромеханічного генератора, звернемося до досліду. Візьмемо рамку, що складається з кількох витків дроту, й будемо обертати її в магнітному полі постійного магніту (рис. 8.6). Під час обертання рамки кількість магнітних ліній, що її пронизують, то збільшується, то зменшується. У рамці виникає електричний струм, наявність якого доводить світіння лампи.

Рис. 8.6. Під час обертання рамки в магнітному полі в рамці виникає індукційний струм

Промислові генератори електричного струму мають практично ту саму будову, що й електродвигуни. Проте за принципом дії генератор — це електричний двигун «навпаки». Генератор, як і електродвигун, складається зі статора і ротора (рис. 8.7). Масивний нерухомий статор (1) являє собою порожнистий циліндр, на внутрішній поверхні якого розміщено товстий мідний ізольований дріт — обмотку статора (2). Усередині статора обертається ротор (3). Він, як і ротор електродвигуна, зазвичай являє собою великий циліндр, у пази якого вкладено обмотку ротора (4). До обмотки ротора подається напруга від джерела постійного струму.

Рис. 8.7. Схема будови електромеханічного генератора: 1 — статор; 2 — обмотка статора; 3 — ротор; 4 — обмотка ротора

Струм тече по обмотці ротора, створюючи навколо нього магнітне поле, яке пронизує обмотку статора.

Під дією пари (на теплових і атомних електростанціях) або води, що падає з висоти (на гідроелектростанціях), ротор генератора починає швидко обертатися. Унаслідок цього кількість ліній магнітної індукції, що пронизують витки обмотки статора, змінюється і в обмотці статора виникає індукційний електричний струм. Після низки перетворень цей струм подають до споживача електричної енергії.

5. Учимося розв'язувати задачі

Задача. Котушка й алюмінієве кільце розміщені на спільному осерді (рис. 1). Визначте напрямок індукційного струму в кільці, якщо ключ замкнути. Як буде поводитися кільце в момент замикання ключа? через деякий час після замикання ключа? в момент розмикання ключа?

Рис. 1

Аналіз фізичної проблеми, розв’язання

1) Струм у котушці напрямлений по її передній стінці вгору (від «+» до «-»). Скориставшись правою рукою, визначимо полюси котушки (напрямок магнітних ліній всередині котушки): ближчим до кільця буде південний полюс котушки (рис. 2).

Рис. 2

2) У момент замикання ключа сила струму в котушці збільшується, тому магнітне поле всередині кільця посилюється.

3) У кільці виникає індукційний струм такого напрямку, що кільце буде обернене до котушки однойменним полюсом (південним) і відштовхнеться від неї.

4) Скориставшись правою рукою, визначимо напрямок індукційного струму в кільці (він буде протилежним напрямку струму в котушці).

Майже відразу після замикання ключа струм в котушці буде постійним, магнітне поле всередині кільця не змінюватиметься й індукційного струму в кільці не буде. Оскільки кільце виготовлене із магнітослабого матеріалу, воно майже не буде взаємодіяти з котушкою.

У момент розмикання ключа сила струму в котушці швидко зменшується, створене котушкою магнітне поле послаблюється. У кільці виникає індукційний струм такого напрямку, що кільце буде обернене до котушки різнойменними полюсом і на короткий час притягнеться до неї (рис. 3).

Рис. 3

Підбиваємо підсумки

У замкненому провідному контурі в разі зміни кількості ліній магнітної індукції, що пронизують контур, виникає електричний струм. Такий струм називають індукційним, а явище виникнення струму — електромагнітною індукцією.

Одна з причин виникнення індукційного струму полягає в тому, що змінне магнітне поле завжди супроводжується виникненням у навколишньому просторі електричного поля. Електричне поле діє на вільні заряджені частинки в провіднику, і ті починають рухатися напрямлено — виникає індукційний струм.

Контрольні запитання

1. Опишіть досліди М. Фарадея. 2. У чому полягає явище електромагнітної індукції? 3. Який струм називають індукційним? 4. Якими є причини виникнення індукційного струму? 5. Робота яких пристроїв ґрунтується на явищі електромагнітної індукції? Які перетворення енергії в них відбуваються? 6. Опишіть будову та принцип дії генераторів електричного струму.

Вправа № 8

1. Дві нерухомі котушки розташовані так, як показано на рис. 1. Міліамперметр, підключений до однієї з котушок, реєструє наявність струму. За якої умови це можливо?

Рис. 1

2. На рис. 2 зображено пристрій, який називають «кільця Ленца». Пристрій складається з двох алюмінієвих кілець (суцільного і розрізаного), закріплених на алюмінієвому коромислі, яке має можливість легко обертатися навколо вертикальної осі.

Рис. 2

  • 1) Як буде поводитися суцільне кільце пристрою, якщо: а) підносити до нього магніт? б) відсувати від нього магніт? в) підносити до нього магніт південним полюсом?
  • 2) Для кожного випадку в π. 1 визначте напрямок індукційного струму в суцільному кільці та напрямок індукції магнітного поля, створеного цим струмом.
  • 3) Що відбуватиметься, якщо магніт підносити до розрізаного алюмінієвого кільця?

3. Дві котушки надіто на спільне осердя (рис. 3). Визначте напрямок індукційного струму в котушці А, якщо: 1) замкнути коло; 2) розімкнути коло; 3) пересунути повзунок реостата ліворуч; 4) пересунути повзунок реостата праворуч.

Рис. 3

4. Складіть задачу, обернену до розглянутої в пункті 5 § 8. Розв’яжіть отриману задачу.

ГДЗ до підручника можна знайти тут.