Явление электромагнитной индукции
Опыты Фарадея
В 1820 году датский ученый Эрстед обнаружил влияние проводника с током на магнитную стрелку (см. Рис. 1). Ученые предположили, что если электрический ток порождает вокруг себя магнитное поле, то может существовать и обратное явление. То есть что магнитное поле может стать причиной появления электрического тока.
Рис. 1. Опыт Эрстеда
29 августа 1831 года английский ученый М. Фарадей в своей лаборатории собрал установку, упрощенная модель которой изображена на рисунке 2.
Рис. 2. Схема экспериментальной установки Фарадея
Центральным элементом этой модели служат 2 катушки, расположенные одна над другой и электрически изолированные друг от друга. Верхняя катушка подключена к источнику электрического тока, а нижняя катушка замкнута на гальванометр. При включении источника тока по верхней катушке потечет электрический ток и стрелка гальванометра отклонится. Затем она вернется в исходное положение, несмотря на наличие тока в верхней катушке. При отключении источника тока стрелка также отклонится, но уже в другую сторону. Следовательно, можно сделать вывод, что в нижней катушке также возникает электрический ток, о чем свидетельствует отклонение стрелки гальванометра.
Получив результаты опытов с помощью данной установки, Фарадей проводит следующие рассуждения.
При замыкании цепи в первой катушке появляется ток. Обмотки первой и второй катушки не соприкасаются, следовательно, источник тока не имеет отношения к возникновению тока во второй катушке. Но первая катушка при протекании по ней электрического тока ведет себя подобно магниту, и вторая катушка оказывается полностью пронизанной магнитным полем, созданным первой катушкой (см. Рис. 3). Значит, магнитное поле причастно к возникновению тока во второй катушке. Затем ток во второй катушке быстро прекращается, хотя первая катушка не перестает быть магнитом. Ток во второй катушке снова появляется в момент размыкания цепи первой катушки, то есть при исчезновении магнитного поля первой катушки. Следовательно, к возникновению тока во второй катушке причастно не установившееся магнитное поле, а изменение магнитного поля в первой катушке.
Таким образом, Фарадей наблюдал явление электромагнитной индукции.
Рис. 3. Появление тока во второй катушке
Опыт, иллюстрирующий явление электромагнитной индукции. Магнитный поток
Рассмотрим опыт с полосовым магнитом и катушкой, замкнутой на амперметр. Если подносить магнит к катушке таким образом, чтобы он двигался перпендикулярно плоскости витков, то в катушке появится электрический ток, о чем свидетельствует отклонение стрелки амперметра (см. Рис. 4 (1)). То же самое будет наблюдаться, если выдвигать магнит из катушки, только стрелка отклоняется в другую сторону (см. Рис. 4 (3)). Если магнит покоится, ток не появляется (см. Рис. 4 (2)).
Рис. 4. Появление тока при движении магнита
Исследуем наблюдаемое явление.
Мы установили, что изменение во времени магнитного поля вокруг катушки из проводника порождает в этой катушке электрический ток. Магнитное поле мы представляем в виде воображаемых магнитных линий. Для постоянного магнита эти линии идут от северного полюса к южному (см. Рис. 5). Вектор магнитной индукции в каждой точке магнитной линии направлен по касательной к этой линии.
Рис. 5. Направление магнитных линий и вектора магнитной индукции
Если приближать магнит к катушке, то число линий, которые пронизывают плоскость этой катушки, увеличивается. Если держать магнит неподвижным, то число линий, пронизывающих катушку, остается неизменным. Если удалять магнит от катушки, то число линий, пронизывающих катушку уменьшается (см. Рис. 6).
Рис. 6. Изменение числа магнитных линий, пронизывающих катушку
Чем больше линий магнитного поля пронизывают площадку, тем выше значение модуля магнитной индукции (см. Рис. 7).
Рис. 7. Изменение модуля магнитной индукции в зависимости от количества линий магнитного поля
Число линий магнитного поля, которые пронизывают некоторую площадку, зависит также от того, как ориентирована данная площадка по отношению к вектору магнитной индукции (см. Рис. 8).
Рис. 8. Количество магнитных линий зависит от положения площадки
Как известно из геометрии, ориентацию площадки в пространстве задает единичный вектор нормали (
) к этой площадке. Таким образом, число линий, которые проходят через площадку, помещенную в магнитное поле, зависит (см. Рис. 9):
1. От индукции магнитного поля.
2. От размера площадки.
3. От угла (
) между единичным вектором нормали () к площадке и вектором индукции магнитного поля (
). Если 
(площадка перпендикулярна вектору магнитной индукции), то число линий максимальное. Если 
, то число линий равно нулю.
Тригонометрическая функция, которая удовлетворяет таким условиям, – это косинус. Следовательно, магнитный поток
– это величина, равная произведению модуля магнитной индукции на площадь поверхности, пронизываемой линиями магнитного поля, умноженному на косинус угла между вектором магнитной индукции и нормалью к этой поверхности.
Рис. 9. Число магнитных линий, пронизывающих площадку
Таким образом, при приближении магнита к катушке увеличивается число линий поля и, соответственно, увеличивается магнитный поток сквозь основание катушки. При удалении магнита от катушки уменьшается число линий поля и магнитный поток. Следовательно, индукционный ток в катушке возникает при изменении магнитного потока через поверхность катушки.
Электромагнитная индукция – явление возникновения электрического тока в контуре или в катушке при изменении магнитного потока, пронизывающего этот контур или катушку.
Скорость изменения магнитного потока
Также из данного опыта можно увидеть, что при быстром движении магнита величина индукционного тока выше, чем при медленном движении. Величина индукционного тока зависит от скорости изменения магнитного потока:
Размерность величины скорости изменения магнитного потока:
Следовательно, по физическому смыслу скорость изменения магнитного потока – это электродвижущая сила, приводящая в упорядоченное движение электроны в проводнике катушки.
Данное выражение звучит следующим образом: при изменении магнитного потока, пронизывающего токопроводящий контур, в этом контуре возникает электродвижущая сила, модуль которой равен модулю скорости изменения магнитного потока.
Величина силы индукционного тока, возникшего в токопроводящем контуре, будет определяться скоростью изменения магнитного потока, пронизывающего этот контур, деленной на электрическое сопротивление проводника, из которого изготовлен контур.
