Фізика. Профільний рівень. 11 клас. Засєкіна

§ 17. Електромагнітна індукція

Потік магнітної індукції. Після відкриття Ерстеда, який довів, що навколо провідника зі струмом виникає магнітне поле, природно було би поставити питання про можливість утворити електричний струм у провідниках за допомогою магнітного поля. Як ви знаєте з курсу фізики 9 класу, над розв’язанням цієї проблеми працював англійський фізик Майкл Фарадей. Відкрите ним явище називається електромагнітною індукцією, суть якого в тому, що в замкнутому провіднику (контурі) виникає електричний струм (індукційний струм) за умови зміни магнітного поля, що проходить крізь контур (мал. 90). Для реалізації цього явища не важливо, рухається провідник або джерело магнітного поля чи ні.

Мал. 90. Досліди з виявлення явища електромагнітної індукції

Щоб дати точне кількісне пояснення розглянутого явища, треба ввести величину — потік магнітної індукції (або, як кажуть, магнітний потік).

Потік магнітної індукції Ф — це фізична величина, яка характеризує магнітне поле, що пронизує певну поверхню площею S. Якщо індукція В в усіх точках поверхні однакова, то Ф = BS cos α, де α — кут між вектором магнітної індукції та нормаллю до поверхні (мал. 91).

Мал. 91. До визначення магнітного потоку

Одиниця магнітного потоку — вебер,

Визначення явища електромагнітної індукції відповідно формулюють так: явище виникнення в замкненому провіднику електричного струму внаслідок зміни магнітного потоку, що пронизує контур провідника.

Якщо в котушку, сполучену з гальванометром, вставити магніт, а потім рухати їх разом так, щоб вони одне відносно одного залишались у спокої, то індукційний струм не виникатиме (магнітний потік, що пронизує контур котушки, залишається сталим). Не виникає індукційний струм і в разі поступального руху замкненого провідника в однорідному полі вздовж силових ліній.

Напрямок індукційного струму. Правило Ленца. Майкл Фарадей, аналізуючи проведені досліди, встановив, що напрямок індукційного струму в провіднику залежить від того, збільшується (∆Ф > 0) чи зменшується (∆Ф < 0) магнітний потік через його контур. Загальне правило, за допомогою якого можна визначити напрямок індукційного струму в замкненому провіднику, сформулював у 1833 р. російський фізик Емілій Християнович Ленц (1804-1865).

Індукційний струм у замкненому провіднику завжди має такий напрямок, що створюваний цим струмом власний магнітний потік протидіє тим змінам зовнішнього магнітного потоку, які збуджують індукційний струм. (Правило Ленца випливає із закону збереження енергії.)

Поєднуючи правило Ленца з правилом свердлика (букв), за допомогою якого визначають напрямок вектора індукції магнітного поля в центрі колового струму, легко визначити напрямок індукційного струму в замкненому провіднику. Припустимо, що до замкненого витка (чи котушки) наближається зі швидкістю υ постійний магніт північним полюсом N (мал. 92, а). При цьому магнітний потік через контур витка зростає (∆Ф > 0). Отже, за правилом Ленца, у витку має виникнути індукційний струм такого напрямку, щоб власним магнітним полем протидіяти зростанню зовнішнього магнітного потоку. Для цього потрібно «не пустити» магніт у виток, тобто відштовхнути його. Це означає, що внутрішнє магнітне поле індукційного струму буде напрямлене проти зовнішнього поля постійного магніту. Отже, робимо висновок, що з того боку витка (чи котушки), який повернуто до магніту, з’являється однойменний полюс N (якби до витка наближався магніт південним полюсом S, то із цього боку виникав би південний полюс магнітного поля індукційного струму). Далі міркуємо так. Для того щоб назустріч постійному магніту утворився полюс N індукційного струму, потрібно, аби поступальне переміщення свердлика відбувалось зліва-направо, тобто його ручку треба обертати проти стрілки годинника (дивимось на виток з боку магніту). Напрямок цього обертання і вказує напрямок індукційного струму. (Замість правила свердлика можна також скористатися правилом букв, уписаних у виток, мал. 92.)

З віддаленням постійного магніту від витка (мал. 92, б) магнітний потік через його контур зменшується (∆Ф < 0). Щоб протидіяти цьому, потрібно «не відпускати» магніт, тобто притягувати його. Це означає, що магнітне поле індукційного струму буде однакового напрямку із зовнішнім, тобто з боку магніту матиме південний полюс S. За правилом свердлика (чи букв) з’ясовуємо, що індукційний струм у витку повинен проходити за стрілкою годинника.

Мал. 92. Визначення напрямку індукційного струму

У випадку виникнення індукційного струму в прямому провіднику (який є ділянкою замкненого кола і рухається в зовнішньому магнітному полі перпендикулярно до ліній індукції, тобто перетинає їх) напрямок індукційного струму можна визначити за правилом правої руки: праву руку треба розмістити в магнітному полі так, щоб силові лінії входили в долоню, а відставлений під прямим кутом великий палець збігався з напрямом переміщення провідника. Тоді чотири витягнуті пальці вкажуть напрямок індукційного струму в цьому провіднику (мал. 93).

Мал. 93. Визначення напрямку індукційного струму за правилом правої руки

Пояснення діамагнетизму на основі правила Ленца. У (§ 16) ми зазначили, що в діамагнетику, внесеному у зовнішнє магнітне поле, відбувається так званий діамагнітний ефект, що полягає у виникненні в атомів речовини індукованого (наведеного) магнітного моменту, який завжди напрямлений проти вектора індукції магнітного поля, тому відносна магнітна проникність діамагнетиків менша від одиниці (μ < 1). Оскільки зовнішнє магнітне поле діє не тільки на вільні носії заряду в провіднику, а й на всі заряджені частинки речовини, що рухаються, зокрема й на зв’язані електрони, що рухаються на певних відстанях навколо атомних ядер, то при цьому виникають зміни в орбітальних рухах електронів, що є причиною виникнення діамагнітного ефекту в усіх без винятку речовинах.

Діамагнетизм речовини якісно можна пояснити на основі правила Ленца щодо напрямку індукційного струму в провідниках.

Уявімо собі рух електрона навколо атомного ядра, як деякий струм по замкненому контуру у формі орбіталі електрона. Відомо, що зі збільшенням магнітного потоку крізь замкнений контур (а в разі внесення речовини в зовнішнє магнітне поле магнітний потік, що пронизує електронні орбіти, зростає), у ньому виникає індукційний струм, напрямок якого, за правилом Ленца, має бути таким, щоб власним магнітним полем протидіяти зміні зовнішнього магнітного поля, яка породжує цей індукційний струм. Із цього випливає, що в кожного атома речовини в момент внесення в зовнішнє магнітне поле індукцією

виникає власний магнітний момент, напрямлений проти цього поля.

ЗНАЮ, ВМІЮ, РОЗУМІЮ

1. Щоб одержати індукційний у струм у кільці за допомогою магніту, кільце й магніт переміщували разом (один відносно одного вони не переміщувалися). Чи виникав за таких умов індукційний струм у кільці? 2. Чи завжди утворюється індукційний струм у металевому кільці зі зміною в його площині: а) магнітного потоку; б) індукції магнітного поля? 3. Магніт у вакуумі вільно падає південним полюсом у центр дротяного кільця. Яким буде напрямок індукційного струму в разі наближення магніту до кільця? 4. Крізь провідне кільце, розташоване горизонтально, падають з однакової висоти алюмінієвий брусок і магніт. Що впаде першим?