Явление электромагнитной индукции

Явление электромагнитной индукции

Явление электромагнитной индукции – это то, что заставляет работать электрические двигатели, позволяет генераторам вырабатывать электричество. Именно его открытие в начале XIX века привело к активному развитию таких отраслей, как энергетика, станкостроение, транспорт. Также данное явление широко применяется в медицине, радиовещании, при производстве расходомеров – счетчиков учета электроэнергии.

О том, в чем суть этого явления, когда и кто его открыл, что такое индуктивность и самоиндукция, какой энергией характеризуется совокупность магнитных силовых линий, будет рассказано в этой статье.

Электромагнитная индукция — описание

Электромагнитной индукцией называется процесс, при котором ток возникает в проводящем контуре замкнутой конфигурации во время изменений магнитного потока, пронизывающего его.

Электромагнитная индукция наблюдается в двух случаях:

1. Во время изменений параметров магнитного поля, воздействующего на проводник.
2. В процессе перемещения материальной среды в магнитном поле.

Подобные действия приводят к возникновению электрического поля и электрической поляризации. По-другому, в проводнике, помещенном в магнитное поле, при воздействии внешней силы будет наблюдаться электродвижущая сила, обозначаемая ЭДС.

Важно отличать понятия электромагнитной индукции и магнитной индукции. В первом случае подразумевается некое явление, а во втором — векторная физическая величина с численным значением и определенным направлением.

История

В 1820 г. Ганс Христиан Эрстед показал, что протекающий по цепи электрический ток вызывает отклонение магнитной стрелки. Если электрический ток порождает магнетизм, то с магнетизмом должно быть связано появление электрического тока. Эта мысль захватила английского ученого М. Фарадея. «Превратить магнетизм в электричество», — записал он в 1822 г. в своём дневнике. Многие годы настойчиво ставил он различные опыты, но безуспешно, и только 29 августа 1831 г. наступил триумф: он открыл явление электромагнитной индукции. Установка, на которой Фарадей сделал своё открытие, заключалась в том, что Фарадей изготовил кольцо из мягкого железа примерно 2 см шириной и 15 см диаметром и намотал много витков медной проволоки на каждой половине кольца. Цепь одной обмотки замыкала проволока, в её витках находилась магнитная стрелка, удаленная настолько, чтобы не сказывалось действие магнетизма, созданного в кольце. Через вторую обмотку пропускался ток от батареи гальванических элементов. При включении тока магнитная стрелка совершала несколько колебаний и успокаивалась; когда ток прерывали, стрелка снова колебалась. Выяснилось, что стрелка отклонялась в одну сторону при включении тока и в другую, когда ток прерывался. М. Фарадей установил, что «превращать магнетизм в электричество» можно и с помощью обыкновенного магнита.

В это же время американский физик Джозеф Генри также успешно проводил опыты по индукции токов, но пока он собирался опубликовать результаты своих опытов, в печати появилось сообщение М. Фарадея об открытии им электромагнитной индукции.

М. Фарадей стремился использовать открытое им явление, чтобы получить новый источник электричества.

Эксперимент Фарадея

Опыты Фарадея заключались в работе с проводником и постоянным магнитом. Майкл Фарадей впервые обнаружил, что при перемещении проводника внутри магнитного поля на его концах возникает разность потенциалов. Перемещающийся проводник начинает пересекать линии магнитного поля, что моделирует эффект изменения этого поля.

Ученый обнаружил, что положительный и отрицательный знаки возникающей разности потенциалов зависят от того, в каком направлении движется проводник. Например, если проводник поднимать в магнитном поле, то возникающая разность потенциалов будет иметь полярность +-, если же опускать этот проводник, то мы уже получим полярность -+. Эти изменения знака потенциалов, разность которых называется электродвижущей силой (ЭДС), приводят к возникновению в замкнутом контуре переменного тока, то есть такого тока, который постоянно изменяет свое направление на противоположное.

Научный путь Фарадея

В 1813 году судьба улыбается учёному, давшему миру представление об электромагнитной индукции: удаётся попасть на место секретаря к сэру Хампфри Дэви, недолгий период знакомства в будущем сыграет роль. Фарадею невыносимо исполнять долее обязанности переплётчика, он пишет письмо Джозефу Бэнксу, тогдашнему президенту Королевского научного общества. О характере деятельности организации расскажет факт: Фарадей получил место, называемое старший прислужник: помогает лекторам, вытирает пыль с оборудования, следит за транспортировкой. Джозеф Бэнкс игнорирует послание, Майкл не унывает и пишет Дэви. Ведь прочих научных организаций нет в Англии!

Дэви относится с большим вниманием, поскольку лично знаком с Майклом. Не будучи одарён от природы умением говорить – вспомним про школьный опыт – и излагать мысли письменно, Фарадей берет специальные уроки для развития необходимых навыков. Опыты тщательно систематизирует в блокноте, мысли излагает в кружке друзей и единомышленников. К моменту знакомства с сэром Хампфри Дэви достигает недюжинного мастерства, тот ходатайствует о принятии новоиспечённого учёного на вышеупомянутую должность. Фарадей рад, а изначально фигурировала идея назначить будущего гения мыть посуду…

По воле рока Майкл вынужден слушать лекции на разные темы. Помощь профессорам требовалась лишь периодически, в остальном допускалось находиться в аудитории и слушать. Учитывая, сколько стоит образование в Гарварде, это стало неплохим досугом. Через полгода блестящей работы (октябрь 1813 года) Дэви приглашает Фарадея в путешествие по Европе, война окончена, нужно оглядеться. Это стало хорошей школой первооткрывателю электромагнитной индукции.

По возвращении в Англию (1816 год), Фарадей получает звание лаборанта и публикует первую работу по исследованию известняка.

Закон Фарадея

Явление электромагнитной индукции определяется возникновением электрического тока в замкнутом электропроводящем контуре при изменении магнитного потока через площадь этого контура.

Основной закон Фарадея заключается в том, что электродвижущая сила (ЭДС) прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока.

Формула закона электромагнитной индукции Фарадея выглядит следующим образом:

Рис. 2. Формула закона электромагнитной индукции

И если сама формула, исходя из вышесказанных объяснений не порождает вопросов, то знак «-» может вызвать сомнения. Оказывается существует правило Ленца – русского ученого, который проводил свои исследования, основываясь на постулатах Фарадея. По Ленцу знак «-» указывает на направление возникающей ЭДС, т.е. индукционный ток направлен так, что магнитный поток, который он создает, через площадь, ограниченную контуром, стремится препятствовать тому изменению потока, которое вызывает данный ток.

Правило Ленца

Эмилий Христианович Ленц

Направление тока индукции определяется по правилу, которое действует во всех случаях, когда такой ток возникает. Это правило сформулировал российский физик балтийского происхождения Эмилий Христианович Ленц: «Индукционный ток, возникающий в замкнутом контуре, имеет такое направление, что создаваемый им магнитный поток противодействует изменению того магнитного потока, который этот ток вызвал.

Нужно заметить, что такой вывод был сделан учёным на основании результатов опытов. Ленц создал прибор, состоящий из свободно вращающейся алюминиевой пластинки, на одном конце которой было закреплено сплошное кольцо из алюминия, а на другом – кольцо с надрезом.

Если магнит приближали к сплошному кольцу, оно отталкивалось и начинало «убегать».

Нажать на картинку

При отдалении магнита кольцо стремилось догнать его.

Нажать на картинку

Ничего подобного не наблюдалось с разрезанным кольцом.

Ленц объяснил это тем, что в первом случае индукционный ток создаёт магнитное поле, линии индукции которого направлены противоположно линиям индукции внешнего магнитного поля. Во втором случае линии индукции магнитного поля, созданного индукционным током, совпадают по направлению с линиями индукции поля постоянного магнита. В разрезанном кольце ток индукции не возникает, поэтому оно не может взаимодействовать с магнитом.

Согласно правилу Ленца при увеличении внешнего магнитного потока индукционный ток будет иметь такое направление, что созданное им магнитное поле будет препятствовать такому увеличению. Если же внешний магнитный поток уменьшается, то магнитное поле индукционного тока будет поддерживать его и не давать ему уменьшаться.

Вы уже знаете, что вокруг электрического тока всегда существует магнитное поле. Электрический ток и магнитное поле неотделимы друг от друга.

Но если электрический ток, как говорят, «создаёт» магнитное поле, то не существует ли обратного явления? Нельзя ли с помощью магнитного поля «создать» электрический ток?

Такую задачу в начале XIX в. пытались решить многие учёные. Поставил её перед собой и английский учёный Майкл Фарадей. «Превратить магнетизм в электричество» — так записал в своём дневнике эту задачу Фарадей в 1821 г. Почти 10 лет упорной работы потребовалось учёному для её решения.

Майкл Фарадей (1791—1867)
Английский физик. Открыл явление электромагнитной индукции, экстратоки при замыкании и размыкании

Чтобы понять, как Фарадею удалось «превратить магнетизм в электричество», выполним некоторые опыты Фарадея, используя современные приборы.

На рисунке а показано, что если в катушку, замкнутую на гальванометр, вдвигается магнит, то стрелка гальванометра при этом отклоняется, указывая на появление индукционного (наведённого) тока в цепи катушки. Индукционный ток в проводнике представляет собой такое же упорядоченное движение электронов, как и ток, полученный от гальванического элемента или аккумулятора. Название «индукционный» указывает только на причину его возникновения.

Рис. Возникновение индукционного тока при движении магнита и катушки относительно друг друга

При извлечении магнита из катушки снова наблюдается отклонение стрелки гальванометра, но в противоположную сторону, что указывает на возникновение в катушке тока противоположного направления.

Как только движение магнита относительно катушки прекращается, прекращается и ток. Следовательно, ток в цепи катушки существует только во время движения магнита относительно катушки.

Опыт можно изменить. На неподвижный магнит будем надевать катушку и снимать её (рис. б). И опять можно обнаружить, что во время движения катушки относительно магнита в цепи снова появляется ток.

На рисунке изображена катушка А, включённая в цепь источника тока. Эта катушка вставлена в другую катушку С, подключённую к гальванометру. При замыкании и размыкании цепи катушки А в катушке С возникает индукционный ток.

Рис. Возникновение индукционного тока при замыкании и размыкании электрической цепи

Можно вызвать появление индукционного тока в катушке С и путём изменения силы тока в катушке А или движением этих катушек относительно друг друга.

Проделаем ещё один опыт. Поместим в магнитное поле плоский контур из проводника, концы которого соединим с гальванометром (рис. а). При повороте контура гальванометр отмечает появление в нём индукционного тока. Ток будет появляться и в том случае, если рядом с контуром или внутри него вращать магнит (рис б).

Рис. При вращении контура в магнитном поле(магнита относительно контура) изменение магнитного потока приводит к возникновению индукционного тока

Во всех рассмотренных опытах индукционный ток возникал при изменении магнитного потока, пронизывающего охваченную проводником площадь.

В случаях, изображённых на рисунках, магнитный поток менялся за счёт изменения индукции магнитного поля. Действительно, при движении магнита и катушки относительно друг друга катушка попадала в области поля с большей или меньшей магнитной индукцией (так как поле магнита неоднородное). При замыкании и размыкании цепи катушки А индукция создаваемого этой катушкой магнитного поля менялась за счёт изменения силы тока в ней.

При вращении проволочного контура в магнитном поле или магнита относительно контура магнитный поток менялся за счёт изменения ориентации этого контура по отношению к линиям магнитной индукции.

• при всяком изменении магнитного потока, пронизывающего площадь, ограниченную замкнутым проводником, в этом проводнике возникает электрический ток, существующий в течение всего процесса изменения магнитного потока

В этом и заключается явление электромагнитной индукции.

Открытие электромагнитной индукции принадлежит к числу самых замечательных научных достижений первой половины XIX в. Оно вызвало появление и бурное развитие электротехники и радиотехники.

На основании явления электромагнитной индукции были созданы мощные генераторы электрической энергии, в разработке которых принимали участие учёные и техники разных стран. Среди них были и наши соотечественники: Эмилий Христианович Ленц, Борис Семёнович Якоби, Михаил Иосифович Доливо-Добровольский и другие, внёсшие большой вклад в развитие электротехники.

Домашняя работа.

Задание 1. Ответь на вопросы.

1. С какой целью ставились опыты по Фарадею? Как они проводились?
2. В чём заключается явление электромагнитной индукции?
3. В чём важность открытия явления электромагнитной индукции?

Другие законы Фарадея

На основе проведенных исследований были сформированы еще два одноименных закона:

1. Суть первого состоит в такой закономерности: масса вещества m, выделяемая электрическим напряжением на электроде, пропорциональна количеству электричества Q, прошедшему через электролит.
2. Определение второго закона Фарадея, или зависимости электрохимического эквивалента от атомного веса элемента и его валентности формулируется так: электрохимический эквивалент вещества пропорционален его атомному весу, а также обратно пропорционален валентности.

Из всех существующих видов индукции огромное значение имеет обособленный вид данного явления – самоиндукция. Если мы возьмем катушку, которая имеет большое количество витков, то при замыкании цепи, лампочка загорается не сразу.

На этот процесс может уйти несколько секунд. Очень удивительный на первый взгляд факт. Чтобы понять, в чем здесь дело, необходимо разобраться, что же происходит в момент замыкания цепи. Замкнутая цепь словно «пробуждает» электроток, начинающий свое движение по виткам провода. Одновременно в пространстве вокруг нее мгновенно создается усиливающееся магнитное поле.

Катушечные витки оказываются пронизанными изменяющимся электромагнитным полем, концентрирующимся сердечником. Возбуждаемый же в витках катушки индукционный ток при нарастании магнитного поля (в момент замыкания цепи) противодействует основному. Мгновенное достижение им своего максимального значения в момент замыкания цепи невозможно, оно «растет» постепенно. Вот и объяснение, почему лампочка не вспыхивает сразу. Когда цепь размыкается, основной ток усиливается индукционным в результате явления самоиндукции, и лампочка ярко вспыхивает.

Важно! Суть явления, названного самоиндукцией, характеризуется зависимостью изменения, возбуждающего индукционный ток электромагнитного поля от изменения силы текущего по цепи электротока.

Направление тока самоиндукции определяет правило Ленца. Самоиндукция легко сравнима с инерцией в области механики, поскольку оба явления обладают схожими характеристиками. И действительно, в результате инерции под влиянием силы тело приобретает определенную скорость постепенно, а не сиюминутно. Не сразу – под действием самоиндукции при включении батареи в цепь появляется и электричество. Продолжая сравнение со скоростью, заметим, он так же не способен мгновенно исчезнуть.

Вихревые токи

Наличие вихревых токов в массивных проводниках может послужить еще одним примером электромагнитной индукции.

Специалисты знают, что металлические трансформаторные сердечники, якоря генераторов и электродвигателей никогда не бывают сплошными. При их изготовлении на отдельные тонкие листы, из которых они состоят, накладывается слой лака, изолирующий один лист от другого.

Нетрудно понять, какая сила заставляет человека создавать именно такое устройство. Под действием электромагнитной индукции в переменном магнитном поле сердечник пронизывают силовые линии вихревого электрополя.

Представим, что сердечник изготовлен из сплошного металла. Поскольку его электрическое сопротивление невелико, возникновение индукционного напряжения большой величины было бы вполне объяснимым. Сердечник бы в итоге разогревался, и немалая часть электрической энергии терялась бесполезно. Кроме того, возникла бы необходимость принятия специальных мер для охлаждения. А изолирующие слои не позволяют достигать больших величин.

Индукционные токи, присущие массивным проводникам, называются вихревыми не случайно – их линии замкнуты подобно силовым линиям электрополя, где они и возникают. Чаще всего вихревые токи применяются в работе индукционных металлургических печей для выплавки металлов. Взаимодействуя с породившим их магнитным полем, они иногда становятся причиной занимательных явлений.

Возьмем мощный электромагнит и поместим между вертикально расположенными его полюсами, к примеру, пятикопеечную монету. Вопреки ожиданию, она не упадет, а будет медленно опускаться. Для прохождения нескольких сантиметров ей потребуются секунды.

Поместим, например, пятикопеечную монету между вертикально расположенными полюсами мощного электромагнита и отпустим ее.

Вопреки ожиданию, она не упадет, а будет медленно опускаться. Для прохождения нескольких сантиметров ей потребуются секунды. Передвижение монеты напоминает перемещение тела в вязкой среде. Почему такое происходит.

По правилу Ленца направления возникающих при передвижении монеты вихревых токов в неоднородном магнитном поле таковы, что поле магнита выталкивает монету вверх. Эту особенность используют для «успокоения» стрелки в измерительных приборах. Алюминиевая пластина, находящаяся между магнитными полюсами, прикрепляется к стрелке, и вихревые токи, возникающие в ней, способствуют быстрому затуханию колебаний.

Демонстрацию явления электромагнитной индукции поразительной красоты предложил профессор Московского университета В.К. Аркадьев. Возьмем свинцовую чашу, обладающую сверхпроводящей способностью, и попробуем уронить над ней магнит. Он не упадет, а будет словно «парить» над чашей. Объяснение здесь простое: равное нулю электрическое сопротивление сверхпроводника способствует возникновению в нем электричества большой величины, способных сохраняться продолжительное время и «удерживать» магнит над чашей. По правилу Ленца, направление магнитного поля их таково, что отталкивает магнит и не дает ему упасть.

Изучаем физику закон электро-магнитной индукции

Правильна формулировка закона Фарадея