Глава 3. Электромагнитные явления. § 59. Явление электромагнитной индукции — с. 215
§ 59. Вопрос 1. С какой целью ставились опыты, изображённые на рисунках 164—166?
Как они проводились?
Опыты ставились, чтобы выяснить, можно ли с помощью магнитного поля получить электрический ток (превратить магнетизм в электричество, как писал Фарадей) и при каких условиях это происходит.
Рис. 164: к катушке подключён гальванометр. Полосовой магнит вдвигают в катушку и выдвигают из неё (или, наоборот, надевают катушку на неподвижный магнит и снимают её). Пока магнит и катушка движутся друг относительно друга, стрелка гальванометра отклоняется; при вдвигании и выдвигании она отклоняется в разные стороны, а когда движение прекращается, возвращается к нулю.
Рис. 165: катушка C соединена с гальванометром, внутри неё вставлена катушка A, подключённая к источнику тока через реостат и ключ. Ключ замыкают и размыкают, меняют силу тока реостатом, двигают катушки друг относительно друга. Ток в катушке C появляется в каждом из этих случаев.
Рис. 166: плоский контур, соединённый с гальванометром, вращают между полюсами дугообразного магнита или оставляют неподвижным и вращают внутри него магнит. Гальванометр и в этом случае фиксирует ток.
Рис. 164: к катушке подключён гальванометр. Полосовой магнит вдвигают в катушку и выдвигают из неё (или, наоборот, надевают катушку на неподвижный магнит и снимают её). Пока магнит и катушка движутся друг относительно друга, стрелка гальванометра отклоняется; при вдвигании и выдвигании она отклоняется в разные стороны, а когда движение прекращается, возвращается к нулю.
Рис. 165: катушка C соединена с гальванометром, внутри неё вставлена катушка A, подключённая к источнику тока через реостат и ключ. Ключ замыкают и размыкают, меняют силу тока реостатом, двигают катушки друг относительно друга. Ток в катушке C появляется в каждом из этих случаев.
Рис. 166: плоский контур, соединённый с гальванометром, вращают между полюсами дугообразного магнита или оставляют неподвижным и вращают внутри него магнит. Гальванометр и в этом случае фиксирует ток.
§ 59. Вопрос 2. При каком условии в опытах (см. рис. 164, 165) в катушке, замкнутой на гальванометр, возникал индукционный ток?
Индукционный ток в катушке возникал только тогда, когда менялось магнитное поле, пронизывающее её витки, то есть менялся магнитный поток через площадь, ограниченную витками. В опыте на рис. 164 это происходит, пока магнит движется относительно катушки: поле магнита в области витков становится то сильнее, то слабее. В опыте на рис. 165 поле катушки A меняется при замыкании и размыкании ключа, при изменении силы тока в ней и при движении катушек друг относительно друга. Если магнит неподвижен или ток в катушке A постоянен и катушки не движутся, поток не меняется и тока в катушке C нет.
§ 59. Вопрос 3. В чём заключается явление электромагнитной индукции?
Явление электромагнитной индукции заключается в том, что при всяком изменении магнитного потока, пронизывающего площадь, ограниченную замкнутым проводником, в этом проводнике возникает электрический ток. Этот ток называют индукционным, и он существует в течение всего процесса изменения магнитного потока. Поток можно менять, двигая магнит или катушку с током относительно проводника, изменяя силу тока в соседней катушке, вращая контур в магнитном поле. Когда поток перестаёт меняться, индукционный ток исчезает, даже если магнитное поле очень сильное.
§ 59. Вопрос 4. В чём важность открытия явления электромагнитной индукции?
Явление электромагнитной индукции показало, что не только электрический ток создаёт магнитное поле, но и изменяющееся магнитное поле может создать электрический ток. Это открытие (Фарадей, 1831 г.) относят к самым замечательным научным достижениям первой половины XIX в. На его основе были созданы мощные генераторы электрической энергии, которые вырабатывают электроэнергию на электростанциях. Оно вызвало появление и бурное развитие электротехники и радиотехники: трансформаторы, линии электропередачи, радио и многое другое работают благодаря индукции. Без этого открытия невозможна современная электроэнергетика.
§ 59. Дополнительный вопрос 2. За счёт чего менялся магнитный поток в опытах, изображённых на рисунках 164—166?
Рис. 164: магнитный поток через витки катушки менялся из-за движения магнита относительно катушки: при приближении магнита поле в области витков усиливается, при удалении ослабевает (то же происходит, когда катушку надевают на магнит и снимают). Рис. 165: поток через катушку C менялся, потому что менялось магнитное поле катушки A: при замыкании и размыкании ключа ток в A возникает и исчезает, при перемещении движка реостата сила тока и индукция поля меняются, при движении катушек меняется расстояние между ними и поле в месте расположения C. Рис. 166: при вращении контура в поле магнита меняется угол между плоскостью контура и линиями магнитной индукции, а значит, число линий, пронизывающих контур; при вращении магнита внутри неподвижного контура меняется направление поля относительно плоскости контура. Во всех случаях меняется магнитный поток Φ.
Упражнение 48. Задача 1. Как создать кратковременный индукционный ток в катушке К₂, изображённой на рисунке 163?
Индукционный ток в катушке K₂ возникает при изменении магнитного потока, создаваемого катушкой K₁ с током (рис. 163). Кратковременный ток можно получить так:
1) замкнуть или разомкнуть ключ K: при замыкании ток в K₁ растёт от нуля до постоянного значения, при размыкании убывает до нуля, поток через K₂ меняется, и в ней появляется кратковременный ток (пока ключ просто замкнут или разомкнут, тока нет);
2) быстро передвинуть ползунок реостата R: сила тока в K₁ изменится, изменится и поток через K₂;
3) сместить катушку K₁ или K₂ (приблизить или удалить катушки), так как поле K₁ неоднородно и убывает с расстоянием;
4) повернуть катушку K₂ (изменить угол между её осью и линиями индукции поля K₁) или вынуть стальной сердечник из K₁ либо вставить его, так как сердечник сильно усиливает поле.
Во всех случаях ток существует только пока поток меняется.
1) замкнуть или разомкнуть ключ K: при замыкании ток в K₁ растёт от нуля до постоянного значения, при размыкании убывает до нуля, поток через K₂ меняется, и в ней появляется кратковременный ток (пока ключ просто замкнут или разомкнут, тока нет);
2) быстро передвинуть ползунок реостата R: сила тока в K₁ изменится, изменится и поток через K₂;
3) сместить катушку K₁ или K₂ (приблизить или удалить катушки), так как поле K₁ неоднородно и убывает с расстоянием;
4) повернуть катушку K₂ (изменить угол между её осью и линиями индукции поля K₁) или вынуть стальной сердечник из K₁ либо вставить его, так как сердечник сильно усиливает поле.
Во всех случаях ток существует только пока поток меняется.
Упражнение 48. Задача 2. Проволочное кольцо помещено в однородное магнитное поле (рис. 167). Стрелки, изображённые рядом с кольцом, показывают, что в случаях а и б кольцо движется прямолинейно вдоль линий индукции магнитного поля, а в случаях в, г и д — вращается вокруг оси OO′. В каких из этих случаев в кольце может возникнуть индукционный ток? [на рисунке: однородное поле, линии идут горизонтально вправо; а) кольцо стоит перпендикулярно линиям; б) кольцо лежит вдоль линий; в) кольцо лежит вдоль линий и вращается вокруг вертикальной оси OO′, перпендикулярной его плоскости; г) кольцо перпендикулярно линиям и вращается вокруг вертикальной оси OO′, лежащей в его плоскости (диаметр); д) кольцо перпендикулярно линиям и вращается вокруг горизонтальной оси OO′, идущей вдоль линий]
Индукционный ток возникает только при изменении магнитного потока Φ = B·S·cos α, где α — угол между линиями индукции и нормалью к плоскости кольца. Поле однородное, площадь кольца постоянна, поэтому поток меняется лишь при изменении угла α.
а) Кольцо перпендикулярно линиям (Φ максимален) и движется вдоль линий в однородном поле: поток не меняется, тока нет.
б) Кольцо расположено вдоль линий (Φ = 0) и движется вдоль них: поток всё время равен нулю, тока нет.
в) Кольцо лежит вдоль линий и вращается вокруг оси, перпендикулярной его плоскости: оно остаётся в той же плоскости, Φ = 0, тока нет.
г) Кольцо вращается вокруг диаметра, перпендикулярного линиям: угол α меняется, поток периодически меняется от максимального значения до нуля и далее, возникает переменный индукционный ток.
д) Кольцо вращается вокруг оси, идущей вдоль линий и перпендикулярной плоскости кольца: угол α остаётся равным нулю, поток максимален и постоянен, тока нет.
Ответ: индукционный ток может возникнуть только в случае г.
а) Кольцо перпендикулярно линиям (Φ максимален) и движется вдоль линий в однородном поле: поток не меняется, тока нет.
б) Кольцо расположено вдоль линий (Φ = 0) и движется вдоль них: поток всё время равен нулю, тока нет.
в) Кольцо лежит вдоль линий и вращается вокруг оси, перпендикулярной его плоскости: оно остаётся в той же плоскости, Φ = 0, тока нет.
г) Кольцо вращается вокруг диаметра, перпендикулярного линиям: угол α меняется, поток периодически меняется от максимального значения до нуля и далее, возникает переменный индукционный ток.
д) Кольцо вращается вокруг оси, идущей вдоль линий и перпендикулярной плоскости кольца: угол α остаётся равным нулю, поток максимален и постоянен, тока нет.
Ответ: индукционный ток может возникнуть только в случае г.