Физика, полный курс для 11 класса

Явление электромагнитной индукции

1. Опыты Фарадея

В 1831 году английский физик Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции – возникновение электрического тока в замкнутом проводнике при изменении магнитного потока через контур.

Эксперименты Фарадея:

1. Движение магнита относительно катушки

   • Если магнит вдвигать в катушку (или выдвигать), подключенный к ней гальванометр регистрирует индукционный ток.

   • Ток возникает только при движении магнита, а не при его неподвижном положении.

2. Изменение тока в соседней катушке

   • Если две катушки расположить рядом и изменять силу тока в одной из них, во второй катушке также возникает индукционный ток.

Вывод:
Электрический ток появляется только при изменении магнитного потока, пронизывающего контур.

2. Закон электромагнитной индукции

Фарадей установил, что ЭДС индукции (${\mathcal{E}}_i$) в контуре зависит от скорости изменения магнитного потока ($\mathrm{\Phi }$):

$${\mathcal{E}}_i=-\frac{\mathrm{\Delta }\mathrm{\Phi }}{\mathrm{\Delta }t}$$

где:

• $\mathrm{\Delta }\mathrm{\Phi }$ – изменение магнитного потока,

• $\mathrm{\Delta }t$ – время изменения,

• знак «минус» отражает правило Ленца (см. ниже).

Магнитный поток ($\mathrm{\Phi }$) через контур вычисляется по формуле:

$$\mathrm{\Phi }=B\cdot S\cdot \cos \alpha$$

где:

• $B$ – индукция магнитного поля,

• $S$ – площадь контура,

• $\alpha$ – угол между вектором $\vec{B}$ и нормалью к плоскости контура.

Пример:
Если магнитный поток через контур уменьшается на 0,1 Вб за 0,5 с, то ЭДС индукции:

$${\mathcal{E}}_i=-\frac{-0,1}{0,5}=0,2\text{ В}$$

3. Правило Ленца

Русский физик Эмиль Ленц сформулировал правило, определяющее направление индукционного тока:

Индукционный ток всегда направлен так, чтобы противодействовать причине, его вызвавшей.

Примеры применения:

1. Если магнит вдвигают в катушку, индукционный ток создает магнитное поле, отталкивающее магнит (замедляет его движение).

2. Если магнит выдвигают, ток создает поле, притягивающее магнит (препятствует его удалению).

Практическое значение:

• Правило Ленца согласуется с законом сохранения энергии – работа, совершаемая против индукционного тока, переходит в электрическую энергию.

• Это явление используется в тормозных системах поездов, генераторах и трансформаторах.

Выводы

1. Электромагнитная индукция – возникновение тока в контуре при изменении магнитного потока.

2. Закон Фарадея: ${\mathcal{E}}_i=-\frac{\mathrm{\Delta }\mathrm{\Phi }}{\mathrm{\Delta }t}$.

3. Правило Ленца определяет направление индукционного тока.

Применение:

• Генераторы электрического тока.

• Трансформаторы.

• Беспроводная зарядка устройств.

Вопросы для самопроверки:

1. При каких условиях возникает индукционный ток?

2. Как зависит ЭДС индукции от скорости изменения магнитного потока?

3. Почему при выдвигании магнита из катушки ток направлен иначе, чем при вдвигании?

Задачи:

1. Магнитный поток через контур за 2 с изменился от 0,04 Вб до 0,01 Вб. Найдите ЭДС индукции.

2. Объясните, почему алюминиевое кольцо отталкивается от приближающегося магнита.

(Ответы: 1) ${\mathcal{E}}_i=0,015\text{ В}$; 2) индукционный ток создаёт поле, противодействующее движению магнита.)