Электромагнетизм

Электромагнитная индукция

Как оказалось, и это было одно из важных открытий в истории физики и электротехники, с помощью магнитного поля можно получить электрический ток!

Впервые эксперименты по получению электрического тока с помощью магнитного поля провёл Майкл Фарадей (1831 г.), которые он подробно описал в своих сочинениях. Давайте рассмотрим один из первых опытов Фарадея с катушкой. На рисунке показана схема опыта. Катушка, намотанная изолированным проводом, присоединена к гальванометру, то есть к прибору показывающему наличие тока и его направление. Величину тока измеряли иначе чем сейчас, потому как не было еще придумано соответствующего прибора — амперметра. В катушку вдвигается постоянный стержневой магнит. В тот момент, когда магнит входит в катушку, то есть когда он движется в ней, гальванометр дает отклонение, то есть в этот момент в катушке протекает электрический ток. Когда магнит уже находится в катушке, то есть он задвинут и не движется — тогда ток в катушке отсутствует и гальвонометр не даёт отклонение.

Опыт Фарадея с электромагнитной индукцией

Если теперь начать вынимать магнит из катушки, то в этот момент стрелка гальванометра отклоняется в обратную сторону чем прежде, когда магнит задвигали в катушку. Это говорит о том, что в катушке начинает протекать электрический ток и направление этого тока обратное, чем было прежде. Когда магнит будет вынут из катушки, ток прекратится. Иначе говоря, ток в катушке появляется только тогда, когда магнит движется внутри катушки. Неподвижный магнит, находясь в катушке, электрический ток не порождает, потому как силовые линии магнитного поля магнита не пересекают витки катушки.

Такое же явление порождения тока мы заметим и не вдвигая магнит внутрь катушки, а лишь приближая и отдаляя его от катушки, но в этом случае стрелка гальванометра будет отклонятся значительно слабее, что говорит нам о том, что величина тока в этом случае очень незначительная.

Аналогичные явления мы будем наблюдать если заменим постоянный магнит на электромагнит.

Из описанных опытов можно сделать основной вывод, что при пересечении магнитными силовыми линиями проводника, в последнем возникает электрический ток. Для того, чтобы силовые линии пересекали провод, необходимо, чтобы они передвигались относительно проводника. Причем совершенно неважно, что будет в конечном итоге двигаться, проводник или источник магнитного поля, или будут двигаться оба, главное чтобы имело место пересечение силовыми линиями магнитного поля проводника под каким-либо углом относительно плоскости провода. Движение силовых линий магнитного поля параллельно проводнику не рождает в нём никакого электрического тока.

Ток, который таким образом рождается в катушке, называется индуцированным, то есть наведённым током, а само явление его порождения таким способом называется электромагнитной индукцией.

Опыт Фарадея с электромагнитной индукцией с электромагнитом

Также можно провести другой опыт без участия подвижных магнитов или проводников, то есть без всякого механического движения, но пересечение катушки магнитными силовыми линиями имеет место и в этом опыте. На рисунке изображена схема опыта. Катушка электромагнита соединена с химическим источником тока, через нее протекает электрический ток, а значит эта катушка является элетромагнитом; вторая катушка соединена с гальванометром. Обе катушки расположены так, что малая катушка электромагнита может войти во внутрь большей катушки.

Когда одна катушка будет уже вставленна в другую, ток во второй катушке, которая соединена с гальванометром, индуцироваться не будет, но как только мы отсоединим катушку электромагнита от клеммы химического источника тока, ток в катушке электромагнита перестанет течь и магнитное поле катушки начнёт исчезать. В этот момент стрелка гальванометра даст отклонение точно также как если бы мы двигали катушку электромагнита. Если затем вновь соединить клемму источника тока с катушкой электромагнита, тогда вновь начнет протекать ток и создастся магнитное поле электромагнита. В этот момент во второй катушке будет индуцирован ток и стрелка гальванометра даст отклонение в обратную сторону, хотя как и в случае с отключением от клеммы, катушка неподвижна.

В чём же тут дело? Катушки неподвижны и никаких магнитов по близости нет, тем более подвижных. Дело в том, что катушка представляет собой электромагнит, особенно если внутрь нее поместить железный сердечник. В нашем случае мы фактически имеем два электромагнита без сердечников, в одном из которых, а именно во второй, индуцируется электрический ток от катушки электромагнита. По условию индукции силовые линии должны пересекать витки с током (проводник), что и позволит навести, то есть индуцировать электрический ток. Зная какой вид силовых линий имеет катушка электромагнита, можно смело сказать, что силовые линии катушки электромагнита пересекают витки катушки в которую вставленна первая катушка (электромагнит). Однако это еще не всё. Силовые линии магнитного поля должны как оказалось не просто пересекать витки проводника, они должны изменятся по величине.

В первом эксперименте с магнитами, когда их вставляли и вынимали из катушки величина силы магнитного поля (напряженность) менялась потому как магнит двигался и в области пространства, которое пересекает проводник с током, менялось значение напряженности магнитного поля. Когда магнит находился в катушке, ток в ней отсутствовал и гальванометр не давал отклонение. В этом случае силовые линии магнитного поля имелись, они пересекали витки, но их величина была неизменной, потому как магнит не двигался внутри катушки. Как только магнит начинали вынимать, происходило не только пересечение силовыми линиями витков катушки, но и изменение величины силы магнитного поля как бы пересекающего плоскость витка катушки. В итоге именно это было необходимым условием для осуществления электромагнитной индукции.

Во втором эксперименте, когда магнитов уже нет, но есть две катушки, одна из которых по сути в роли электромагнита, а другая в роли обычной катушки в которой должен индуцироваться электрический ток. Любопытно здесь то, что обе катушки неподвижны. Когда мы подключаем катушку электромагнита к источнику тока, эта катушка становится магнитом с той важной особенностью что такой магнит не подвижен, как и вторая катушка. Пересечение силовыми линиями магнитного поля плоскости витков второй катушки за счет перемещения какой либо из катушек исключено, они обе неподвижны относительно друг друга. Но что же мы наблюдаем? В момент замыкания цепи первой катушки стрелка гальванометра дает отклонение! Давайте разберемся что же происходит.

В начале ток в катушке электромагнита отсутствовал, он был равен нулю. Затем, когда цепь была замкнута, через катушку потёк ток и эта самая катушка превратилась в электромагнит, а именно в неподвижный магнит. В то же самое время во второй катушке в момент замыкания цепи мы наблюдаем явление индукции. Стрелка гальванометра отклонилась, а значит во второй катушке есть ток. Однако, в скором времени стрелка гальванометра приходит в исходное состояние, что говорит о том, что индуцирование тока прекратилось, аналогично тому, когда магнит в катушке был уже вставлен и был без движения. Только в момент размыкания мы вновь наблюдаем картину индукции аналогичную той, когда в первом опыте мы вынимали магнит из катушки.

Всё дело в том, что электрический ток в катушке электромагнита возникает не сразу, пусть это даже и выглядит для человеческого восприятия как моментальное его появление. Ток нарастает постепенно, достигая своего максимального значения. Пока ток изменяется по величине, меняется и сила порождаемого им магнитного поля вокруг катушки электромагнита. Именно этим изменением величины тока и можно объяснить возможность существования индукции в таком эксперименте. Вместо движения магнитов мы имеем изменение электрического тока во времени, его постепенное нарастание до максимума в момент замыкания цепи, и соответственно, обратное изменение тока от максимуму до нуля в момент размыкания цепи, причем не только его изменение по величине, но и обратное направление тока в момент размыкания электрической цепи.

В итоге для осуществления электромагнитной индукции надо во-первых, чтобы силовые линии магнитного поля пересекали проводник с током, то есть чтобы они не были параллельны предполагаемому направлению движения индуцированного тока, и во-вторых, должно быть изменение магнитного поля в пространстве в области пересечения им проводника с током.

Дата: 23.09.2018

© Валентин Григорьев



Возможно Вам будут интересны следующие статьи из этого раздела:

Если Вы не нашли ничего интересного в этом разделе, тогда Вам следует воспользоваться левым вертикальным меню, чтобы попасть в интересующий Вас раздел сайта.