Фізика. 9 клас. Сиротюк

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

Ви вже знаєте, що електричне поле виникає навколо електричних зарядів, а магнітне - навколо постійних магнітів і постійних електричних струмів, які проходять нерухомими провідниками. Однак цікавішими виявилися дослідження явищ в електричних і магнітних полях, що змінюються із часом. Вони розпочалися після того, як у 1820 р. Ерстед відкрив явища виникнення магнітного поля навколо провідника зі струмом.

Якщо електричний струм створює магнітне поле, то логічно припустити існування оберненого явища: виникнення електричного струму в провіднику під час вміщення його в магнітне поле. Численні спроби виявити таке явище не дали очікуваних результатів. У нерухомих замкнутих провідниках, уміщених у найсильніші на той час магнітні поля, електричний струм не виникав.

У 1831 р. видатний англійський фізик Майкл Фарадей експериментально відкрив явище електромагнітної індукції, що стало підґрунтям створення всієї сучасної електротехніки й радіотехніки. Його не можна було передбачити на основі всіх тогочасних відомостей про магнітні поля й електричні струми. З’ясувалося, що електричний струм усе-таки виникає в нерухомому замкнутому провіднику, вміщеному в магнітне поле, однак лише тоді, коли це магнітне поле змінюється.

Досліди Фарадея, які привели до відкриття явища електромагнітної індукції, досить прості, їх легко відтворити в умовах школи.

Дослід 1. Приєднаємо до гальванометра довгий гнучкий провідник і помістимо його між полюсами магніту (мал. 58). Якщо провідник і магніт нерухомі, то струму в провіднику немає. Тільки-но почнемо рухати провідник, гальванометр одразу фіксуватиме у провіднику наявність струму.

Якщо під час руху провідника в одному напрямку стрілка гальванометра відхиляється, наприклад, праворуч, то під час руху у зворотному напрямку стрілка відхилятиметься ліворуч, що свідчить про зміну напрямку струму в провіднику.

Струм у провіднику виникає і тоді, коли ми переміщуємо магніт відносно провідника.

Мал. 58

Мал. 59

Дослід 2. Приєднаємо до гальванометра котушку. Коли всередину цієї котушки будемо вводити або витягувати з неї магніт (мал. 59), то гальванометр також фіксуватиме виникнення електричного струму в колі. І цей струм виникає лише під час руху магніту відносно котушки.

Дослід 3. Закріпимо штабовий магніт у штативі і будемо надівати котушку, приєднану до гальванометра, на магніт (мал. 60). У котушці знову виникатиме електричний струм. Цей струм проходить тільки під час руху котушки відносно магніту і змінює свій напрямок під час зміни напрямку руху котушки.

Мал. 60

Мал. 61

Дослід 4. Замкнемо котушку 2 через гальванометр і вставимо всередину неї котушку 1, яку можна приєднати до джерела струму (мал. 61). У момент замикання кола котушки 1 стрілка гальванометра відхилиться, тобто під час зміни (виникнення) магнітного поля котушки 1 котушкою 2 проходив електричний струм. Однак після встановлення в котушці 1 струму магнітне поле перестає змінюватися, струм у котушці 2 зникає - стрілка гальванометра встановлюється на нулі.

Розімкнемо коло котушки. Зі зникненням у ній струму, а разом з ним і його магнітного поля, стрілка гальванометра відхилиться в протилежний бік. Це означає, що в котушці 2 виникає електричний струм, напрямок якого протилежний до того, що проходив під час замикання котушки 1. У цих дослідах під час замикання кола котушки 1 виникає магнітне поле, а під час розмикання - зникає. Унаслідок таких змін магнітного поля в котушці виникає змінний струм, який називають індукційним. У коло котушки 1 можна ввімкнути реостат і ним змінювати силу струму в колі. Легко переконатися, що під час збільшення сили струму в колі котушки 1 у котушці 2 виникає індукційний струм одного напрямку, а під час зменшення - струм протилежного напрямку. Унаслідок зміни сили струму в котушці 1 змінюється і магнітне поле струму, при цьому в котушці 2 виникає індукційний струм.

Явище виникнення електричного струму в замкнутому контурі, який або нерухомий у змінному магнітному полі, або переміщується в постійному магнітному полі так, що кількість ліній магнітної індукції, які перетинають площу, обмежену контуром, змінюється, називають електромагнітною індукцією.

Індукційний струм — електричний струм, що виникає у провідному контурі при зміні індукції магнітного поля через цей контур унаслідок явища електромагнітної індукції.

З наведених прикладів випливає, що індукційний електричний струм виникає під час змін у просторі або в часі інтенсивності магнітного поля, лінії якого охоплюють провідник замкнутого контуру. Вивчаючи властивості електромагнітів, ми дізналися, що інтенсивність магнітного поля котушки зі струмом можна змінювати, регулюючи в ній силу струму. Бачимо, що такі зміни можна здійснити в різний спосіб.

Ми знаємо, що графічно магнітне поле зображають за допомогою магнітних ліній. Виявляється, що в місцях поля, де його інтенсивність менша, лінії проходять рідше, а де інтенсивність більша, там лінії розміщуються густіше. Поля зі змінними густотою і напрямком ліній називають неоднорідними. Якщо густота і напрямок ліній сталі, тобто магнітні лінії паралельні, а відстань між сусідніми лініями однакова, то таке поле називають однорідним. До однорідних наближаються магнітні поля всередині довгої котушки зі струмом або у просторі між широкими полюсами постійних магнітів.

Виявилося, що в замкнутому провідному контурі індукційний струм виникає тільки під час зміни густоти магнітних ліній, що пронизують цей контур. При цьому що більша швидкість зміни магнітного поля, то більше значення індукційного струму. Провідник, рухаючись, має обов’язково перетинати магнітні лінії. Якщо провідник контуру рухається вздовж магнітних ліній або котушка рухається поступально в однорідному магнітному полі, то індукційний струм не виникає.

Індукційний струм, що виникає у провіднику, може мати різні напрямки. Досліди і спостереження показують, що напрямок індукційного струму в провіднику, що рухається в магнітному полі, залежить від напрямку ліній магнітного поля і напрямку руху провідника.

На практиці напрямок індукційного струму в рухомому провіднику визначають за правилом правої руки (мал. 62).

Мал. 62

Якщо долоню правої руки розмістити так, щоб у неї входили лінії магнітного поля, а відведений під прямим кутом великий палець указував напрямок руху провідника, то випрямлені чотири пальці визначать напрямок індукційного струму в провіднику.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

  • 1. Наведіть приклади, коли в замкненому провіднику, який міститься в магнітному полі, виникає індукційний струм.
  • 2. Що відбуватиметься, якщо в котушку, з’єднану з гальванометром, вносити всередину магніт або виймати його з котушки?
  • 3. Що відбуватиметься зі стрілкою гальванометра, з’єднаного з провідником, якщо провідник нерухомий або рухається так, що не перетинає силових ліній магнітного поля?
  • 4. Назвіть умови, за яких сила струму в замкненому провіднику збільшується.
  • 5. Що таке явище електромагнітної індукції? Хто його відкрив?
  • 6. Від чого залежить напрямок індукційного струму в провіднику, що рухається в магнітному полі?