Фізика. 9 клас. Головко

§ 9. Досліди Фарадея. Електромагнітна індукція

• Досліди Фарадея. Індукційний струм

• Явище електромагнітної індукції. Напрям індукційного струму

ДОСЛІДИ ФАРАДЕЯ. ІНДУКЦІЙНИЙ СТРУМ. Вам уже відомо, що навколо будь-якого провідника зі струмом існує магнітне поле, що взаємодіє з магнітними полями постійних магнітів та електромагнітів постійного струму. Це є підтвердженням того, що між електричними та магнітними явищами спостерігається тісний взаємозв’язок, а електричне й магнітне поле є виявом єдиного електромагнітного поля.

У попередніх параграфах розглядалася взаємодія магнітних полів, що виникають навколо постійних магнітів і постійних електричних струмів у нерухомих провідниках. Надзвичайно цікавими та важливими для сучасної науки і техніки є явища в магнітних полях, що змінюються з часом. Переконатися в цьому ви зможете, виконавши прості досліди. Під’єднаємо до демонстраційного гальванометра котушку. Стрілка приладу розташована на нульовій позначці. Це означає, що струму в котушці немає. Візьмемо лабораторний штабовий магніт та будемо вводити його всередину котушки. При цьому стрілка приладу буде відхилятися, наприклад, праворуч — гальванометр показує виникнення в котушці електричного струму (рис. 9.1, а). Коли повністю ввести магніт у котушку та залишити його в стані спокою, стрілка повернеться на нульову позначку (рис. 9.1, б). Під час виведення магніту з котушки стрілка гальванометра відхилилася, але вже в інший бік — у котушці виникає струм, який тече в протилежному напрямку (рис. 9.1, в). Після того як магніт повністю буде виведений із котушки, стрілка гальванометра повернеться до нульової позначки — струму в колі не буде.

Рис. 9.1. Виникнення електричного струму під час відносного руху магніту та провідника

Якщо закріпити постійний магніт у штативі та рухати котушку, вводячи в неї магніт, гальванометр також покаже виникнення електричного струму в колі (рис. 9.1, г).

Таким чином, електричний струм виникає у замкнутому провіднику під час відносного руху магніту та провідника.

У попередніх дослідах провідник (обмотка котушки) взаємодіє з магнітним полем постійного магніту. А чи можна спостерігати явище виникнення електричного струму в провіднику, який взаємодіє з магнітним полем провідника зі струмом? Виконаємо дослід із котушкою, в яку вводиться соленоїд, з’єднаний з джерелом струму (рис. 9.2, а).

Рис. 9.2. Виникнення електричного струму під час взаємодії двох котушок

Під час введення або виведення соленоїда зі струмом із котушки гальванометр фіксуватиме виникнення електричного струму. У цьому досліді котушка взаємодіє з магнітним полем соленоїда, який рухається, — у колі виникає електричний струм.

Магнітне поле, що взаємодіє з провідником, можна змінювати не лише внаслідок відносного руху провідника та постійного магніту або соленоїда. Надінемо на спільне осердя дві нерухомі котушки, одна з яких з’єднана з гальванометром, а інша включена послідовно з джерелом струму, вимикачем та реостатом (рис. 9.2, б). У момент замикання або розмикання електричного кола в одній котушці, в обмотці іншої, з’єднаної з гальванометром, виникатиме електричний струм. Через деякий час стрілка гальванометра повертатиметься до нульової позначки незалежно від того, в якому положенні перебуває вимикач.

Струм у нижній котушці виникає й у момент пересування повзунка реостата — збільшення або зменшення сили струму у верхній котушці зумовлює появу електричного струму в нижній котушці.

Отже, під час вмикання-вимикання струму або переміщення повзунка реостата в першій котушці відбувається зміна магнітного поля, що утворюється навколо неї. Під час замикання електричного кола котушки виникає магнітне поле, а під час розмикання — зникає. Під час руху повзунка реостата, увімкненого послідовно з однією з котушок, збільшується або зменшується сила струму в провіднику, та, відповідно, магнітне поле струму.

Електричний струм, який виникає в провіднику в разі змін магнітного поля, називають індукційним.

Вперше в історії фізики досліди з отримання індукційного струму виконав видатний англійський вчений Майкл Фарадей. Обґрунтувавши взаємозв’язок електричних та магнітних явищ, він заклав підвалини вчення про електромагнітне поле.

Майкл Фарадей (1791-1867), видатний англійський учений, один із основоположників вчення про електромагнітне поле, який відкрив явище електромагнітної індукції

ЯВИЩЕ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОЇ ІНДУКЦІЇ. НАПРЯМОК ІНДУКЦІЙНОГО СТРУМУ. На основі численних фізичних дослідів (рис. 9.3) у 1831 р. М. Фарадей відкрив та описав явище виникнення в провіднику, вміщеному в магнітне поле, індукційного струму:

електричний струм у замкненому провіднику виникає за умови зміни магнітного поля, в якому він вміщений.

Рис. 9.3. Історичний фундаментальний дослід М. Фарадея з експериментального відкриття явища електромагнітної індукції

Виникнення індукційного струму пов’язане зі змінами магнітного поля незалежно від причини цих змін.

Виникнення індукційного струму в замкнутому провіднику, вміщеному в магнітне поле, є наслідком явища електромагнітної індукції:

явище виникнення електричного струму в замкнутому провіднику, вміщеному в змінне магнітне поле, називається електромагнітною індукцією.

Явище електромагнітної індукції лежить в основі одного з фундаментальних законів електромагнетизму — закону Фарадея, з яким ви ознайомитися в старшій школі.

У описаних дослідах з електромагнітної індукції ви побачили, що індукційний струм в провіднику може мати два протилежні напрями. Напрям індукційного струму визначається за правилом, сформульованим у 1834 р. російським фізиком Е. X. Ленцом:

індукційний струм у замкнутому провіднику має такий напрям, що створюване ним магнітне поле протидіє зміні магнітного поля, що зумовила цей струм.

Індукційний струм, який виникає в провіднику внаслідок зміни магнітного поля, породжує власне магнітне поле, що протидіє зовнішньому. Правило Ленца є виявом закону збереження і перетворення енергії в електромагнітних процесах. Енергія індукційного струму в провіднику дорівнює тій роботі, яка виконується для подолання протидії магнітного поля індукційного струму.

На практиці напрямок індукційного струму в замкнутому провіднику визначають за правилом правої руки (рис. 9.4):

якщо праву руку розмістити в магнітному полі таким чином, щоб лінії магнітної індукції входили в долоню, відставлений великий палець відповідав би напрямку руху провідника, то витягнуті пальці руки вказуватимуть напрямок індукційного струму в провіднику.

Рис. 9.4. Визначення напряму індукційного струму за правилом правої руки

Напрямок індукційного струму у коловому витку зручно визначати за правилом свердлика, врахувавши, що власне магнітне поле струму протидіє магнітному полю, яке зумовлює індукційний струм. Наприклад, якщо постійний магніт вводиться в коловий виток (рис. 9.5), то у витку виникає індукційний струм такого напрямку, щоб створене ним магнітне поле протидіяло зовнішньому магнітному полю, тобто полюси електромагніта, яким стає виток зі струмом, та постійного магніту були однойменними.

Рис. 9.5. Визначення напрямку індукційного струму в коловому витку за правилом свердлика

На рис. 9.6. показано приклад визначення напрямку індукційного струму в котушці для різних варіантів взаємодії котушки та постійного магніту.

Рис. 9.6. Визначення напрямку індукційного струму в котушці для різних варіантів її взаємодії з постійним магнітом

Якщо індукційний струм створюється в котушці не постійним магнітом, а соленоїдом зі струмом, то напрямок індукційного струму протилежний напрямкові струму джерела.

! Головне в цьому параграфі

Досліди М. Фарадея демонструють, що під час відносного руху провідника та магніту в замкнутому провіднику виникає електричний струм.

Електричний струм, який виникає в замкнутому провіднику в разі змін магнітного поля, називають індукційним.

Явище електромагнітної індукції полягає у виникненні електричного струму в замкнутому провіднику, вміщеному в магнітне поле, яке змінюється.

Індукційний струм у замкнутому провіднику має такий напрямок, що створюване ним магнітне поле протидіє зміні магнітного поля, що зумовила цей струм.

Напрямок індукційного струму в замкнутому провіднику визначають за правилом правої руки: якщо праву руку розмістити в магнітному полі так, щоб лінії магнітної індукції входили в долоню, відставлений великий палець відповідав би напрямку руху провідника, то витягнуті пальці руки вказуватимуть напрямок індукційного струму в провіднику.

? Запитання для самоперевірки

1. У чому полягають зміст і значення дослідів М. Фарадея з електромагнітної індукції?
2. На підставі чого можна зробити висновок, що електричні та магнітні явища є виявом єдиного електромагнітного поля?
3. Що називають індукційним струмом?
4. За яких умов у провіднику виникає індукційний струм?
5. У чому полягає явище електромагнітної індукції?
6. Як визначають напрямок індукційного струму?

Вправа до § 9

1 (д). Поясніть, чому правило Ленца є виявом закону збереження в електромагнітних явищах.
2 (д). Визначте напрямок індукційного струму в провідниках, що рухаються в магнітному полі як показано на рис. 9.7.

Рис. 9.7. До завдання 2

Зміст