Явление электромагнитной индукции

История

Схема железного кольцевого аппарата Фарадея. Изменяющийся магнитный поток левой катушки индуцирует ток в правой катушке.

Электромагнитная индукция была независимо открыта Майклом Фарадеем в 1831 году и Джозефом Генри в 1832 году. Фарадей был первым, кто опубликовал результаты своих экспериментов. В первой экспериментальной демонстрации электромагнитной индукции Фарадеем (29 августа 1831 г.) он намотал два провода на противоположные стороны железного кольца ( тора ) (устройство, подобное современному тороидальному трансформатору ). Основываясь на своей оценке недавно обнаруженных свойств электромагнитов, он ожидал, что, когда ток начнет течь по одному проводу, своего рода волна пройдет через кольцо и вызовет некоторый электрический эффект на противоположной стороне. Он подключил один провод к гальванометру и наблюдал, как подсоединяет другой провод к батарее. Действительно, он видел переходный ток (который он назвал «волной электричества»), когда подключал провод к батарее, и другой, когда он отключал его. Эта индукция была вызвана изменением магнитного потока, которое происходило при подключении и отключении батареи. В течение двух месяцев Фарадей обнаружил еще несколько проявлений электромагнитной индукции. Например, он видел переходные токи, когда быстро вставлял стержневой магнит в катушку проводов и из нее, и генерировал постоянный ( постоянный ) ток, вращая медный диск возле стержневого магнита с помощью скользящего электрического провода («диск Фарадея» «).

Диск Фарадея, первый электрический генератор , разновидность униполярного генератора .

Майкл Фарадей объяснил электромагнитную индукцию, используя концепцию, которую он назвал силовыми линиями . Однако ученые в то время широко отвергли его теоретические идеи, главным образом потому, что они не были сформулированы математически. Исключением был Джеймс Клерк Максвелл , который в 1861–1862 гг. Использовал идеи Фарадея как основу своей количественной теории электромагнитного поля. В статьях Максвелла изменяющийся во времени аспект электромагнитной индукции выражается как дифференциальное уравнение, которое Оливер Хевисайд назвал законом Фарадея, хотя он отличается от исходной версии закона Фарадея и не описывает . Версия Хевисайда (см. ) — это форма, признанная сегодня в группе уравнений, известной как уравнения Максвелла .

Закон Ленца , сформулированный Эмилем Ленцем в 1834 году, описывает «поток через цепь» и дает направление наведенной ЭДС и тока, возникающего в результате электромагнитной индукции (подробно описанных в примерах ниже).

Ток — срабатывание — индукционный элемент

Ток срабатывания индукционного элемента измеряется при плавном увеличении тока в момент зацепления сектора с червяком.
 

Ток срабатывания индукционного элемента измеряется при плавном увеличении тока в момент зацепления сектора с червяком. Регулировка тока срабатывания производится ступенями, перестановкой винта на регулировочной колодке.
 

Ток срабатывания индукционного элемента измеряется при плавном увеличении тока в момент зацепления сектора с червяком.
 

Ток срабатывания индукционного элемента измеряется по схеме рис. 20 при плавном увеличении тока от 0 5 уставки до тока срабатывания.
 

Схема устройства индукционного реле типа ИТ.

Ток срабатывания индукционного элемента регулируется путем изменения числа витков обмотки перестановкой контактного винта 17 на контактной колодке.
 

Кривые зависимости времени срабатывания реле типа ИТ-80 ( РТ-80 от относительного значения тока при / с. р 4 а и различных уставках времени.

Током срабатывания индукционного элемента реле называется наименьшее значение тока, при котором червяк, установленный на оси диска, при повороте рамки входит в зацепление с зубчатым сектором реле.
 

За ток срабатывания индукционного элемента принимается тот минимальный ток в реле, при котором диск 3 с рамкой 3 втянется так, что червяк 4 войдет в зацепление с сектором 5 и реле доработает до замыкания контактов.
 

Проверяется ток срабатывания индукционного элемента. При измерении тока срабатывания следует установить максимальную уставку по времени, чтобы убедиться в надежной работе червячной передачи по всей дуге сектора.
 

Проверяется ток срабатывания индукционного элемента.
 

Настройка отсечки реле типа РТ-80 ( ИТ-80.

Проверяется ток срабатывания индукционного элемента. При измерении тока срабатывания, который также следует определять при синусоидальном токе, нужно установить максимальную уставку по времени, чтобы убедиться в надежной работе червячной передачи по всей дуге сектора.
 

За ток срабатывания индукционного элемента принимается тот минимальный ток в реле, при котором диск 3 с рамкой 8 втянется так, что червяк 4 войдет в зацепление с сектором 5 и реле доработает до замыкания контактов.
 

Величина тока срабатывания индукционного элемента устанавливается путем перемещения винтов 21 на контактной колодке 20, чем изменяется количество участвующих в работе витков обмотки реле.
 

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.

Основные понятия и законы электростатики

Закон Кулона:сила взаимодействия двух точечных неподвижных зарядов в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

Коэффициент пропорциональности в этом законе

В СИ коэффициент k записывается в виде

Потенциалом электрического поля называют отношение потенциальной энергии заряда в поле к этому заряду:

 Проекция напряжённости электрического поля на какую-нибудь ось и потенциал связаны соотношением

Электроёмкостью тела называют величину отношения

Основные понятия и законы постоянного тока

Электрический ток — направленное движение электрических зарядов. В разных веществах носителями заряда выступают элементарные частицы разного знака. За положительное направление тока принято направление движения положительных зарядов. Количественно электрический ток характеризуют его силой. Это заряд, прошедший за единицу времени через поперечное сечение проводника:

Закон Ома для участка цепи имеет вид:

 При параллельном соединении величина, обратная сопротивлению, равна сумме обратных сопротивлений:

где t — время, I — сила тока, U — разность потенциалов, q — прошедший заряд.Закон Джоуля-Ленца:

Основные понятия и законы магнитостатики

 Характеристикой магнитного поля является магнитная индукция ➛B. Поскольку это вектор, то следует определить и направление этого вектора, и его модуль. Направление вектора магнитной индукции связано с ориентирующим действием магнитного поля на магнитную стрелку. За направление вектора магнитной индукции принимается направление от южного полюса S к северному N магнитной стрелки, свободно устанавливающейся в магнитном поле. Направление вектора магнитной индукции прямолинейного проводника с токам можно определить с помощью правила буравчика:если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения рукоятки буравчика совпадает с направлением вектора магнитной индукции. Модулем вектора магнитной индукции назовём отношение максимальной силы, действующей со стороны магнитного поля на участок проводника с током , к произведению силы тока на длину этого участка:

Основные понятия и законы электромагнитной индукции

 Если замкнутый проводящий контур пронизывается меняющимся магнитным потоком, то в этом контуре возникает ЭДС и электрический ток. Эту ЭДС называют ЭДС электромагнитной индукции, а ток — индукционным. Явление их возникновения называют электромагнитной индукцией. ЭДС индукции можно подсчитать по основному закону электромагнитной индукции или по закону Фарадея:

Электромагнитные колебания и волны

Колебательным контуром называется электрическая цепь, состоящая из последовательно соединённых конденсатора с ёмкостью C и катушки с индуктивностью L (см. рис. 7).

 Для свободных незатухающих колебаний в контуре циклическая частота определяется формулой

 Период свободных колебаний в контуре определяется формулой Томсона:

 Ток, текущий через катушку индуктивности, по фазе отстаёт от напряжения на π/2 или на четверть периода. Напряжение опережает ток на такой же фазовый угол.

Трансформатором называется устройство, предназначенное для преобразования переменных токов. Трансформатор состоит из замкнутого стального сердечника, на который надеты две катушки. Катушка, которая подключается к источнику переменного напряжения, называется первичной обмоткой, а катушка, которая подключается к потребителю, называется вторичной обмоткой. Отношение напряжения на первичной обмотке и вторичной обмотке трансформатора равно отношению числа витков в этих обмотках:

Энергия магнитного поля

Совокупность магнитных силовых линий имеет определенный запас энергии. Так как данное явление в контуре обусловлено протеканием по нему электрического тока, то и количество такой энергии зависит от величины затрат источников (генераторов, гальванических элементов) на создание тока. Рассчитывается эта величина (Wмаг.п) по следующей математической формуле:

Wмаг.п= (L×I2)/2.

На заметку. С практической точки зрения, значение данной величины оказывает влияние на мощность электрических агрегатов: электродвигателей, генераторов. Чем больше мощность силовых линий, образуемых обмотками или постоянными магнитами статора и ротора, тем выше крутящий момент и мощность двигателя, больше его КПД.

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ

Часть 1

1. В катушку, соединённую с гальванометром, вносят магнит. Направление индукционного тока зависит

А. От скорости перемещения магнита.
Б. От того, каким полюсом вносят магнит в катушку.

Правильный ответ

1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б

2. В катушку, соединённую с гальванометром, вносят магнит. Сила индукционного тока зависит

А. от скорости перемещения магнита
Б. от того, каким полюсом вносят магнит в катушку

1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б

3. Постоянный магнит вносят в катушку, замкнутую на гальванометр (см. рисунок).

Если выносить магнит из катушки с большей скоростью, то показания гальванометра будут примерно соответствовать рисунку

4. Две одинаковые катушки замкнуты на гальванометры. В катушку А вносят полосовой магнит, а из катушки Б вынимают такой же полосовой магнит. В какой катушке гальванометр зафиксирует индукционный ток?

1) только в катушке А
2) только в катушке Б
3) в обеих катушках
4) ни в одной из катушек

5. В первом случае магнит вносят в сплошное эбонитовое кольцо, а во втором случае выносят из сплошного медного кольца (см. рисунок).

Индукционный ток

1) возникает только в эбонитовом кольце
2) возникает только в медном кольце
3) возникает в обоих кольцах
4) не возникает ни в одном из колец

6. Внутри катушки, соединённой с гальванометром, находится малая катушка, подключённая к источнику постоянного тока. В каком из перечисленных опытов гальванометр зафиксирует индукционный ток?

А. В малой катушке выключают электрический ток.
Б. Малую катушку вынимают из большой.

1) только в опыте А
2) только в опыте Б
3) в обоих опытах
4) ни в одном из опытов

7. Внутри катушки, соединённой с гальванометром, находится малая катушка, подключённая к источнику тока. Первую секунду от начала эксперимента малая катушка неподвижна внутри большой катушки. Затем в течение следующей секунды её вынимают из большой катушки. Третью секунду малая катушка находится вне большой катушки. В течение четвертой секунды малую катушку вдвигают в большую. В какой(-ие) промежуток(-ки) времени гальванометр зафиксирует появление индукционного тока?

1) только 0-1 с
2) 1 с-2 с и 3 с-4 с
3) 0-1 с и 2 с-3 с
4) только 1 с-2 с

8. Внутри катушки, соединённой с гальванометром, находится малая катушка, подключённая к источнику тока. Оси катушек совпадают. Первую секунду от начала эксперимента малая катушка неподвижна внутри большой катушки. Затем в течение следующей секунды её вращают относительно вертикальной оси по часовой стрелке. Третью секунду малая катушка вновь остаётся в покое. В течение четвёртой секунды малую катушку вращают против часовой стрелки. В какие промежутки времени гальванометр зафиксирует появление индукционного тока в катушке?

1) индукционный ток может возникнуть в любой промежуток времени
2) индукционный ток возникнет в промежутках времени 1-2 с, 3-4 с
3) индукционный ток не возникнет ни в какой промежуток времени
4) индукционный ток возникнет в промежутках времени 0-1 с, 2-3 с

9. К электромагнитным волнам относятся:

A. Волны на поверхности воды.
Б. Радиоволны.
B. Световые волны.

Укажите правильный ответ.

1) только А
2) только Б
3) только В
4) Б и В

10. Какие из приведённых ниже формул могут быть использованы для определения скорости электромагнитной волны?

A. ​\( v=\lambda\nu \)​
Б. \( v=\frac{\lambda}{\nu} \)
В. \( v=\frac{\lambda}{T} \)
Г. \( v=\lambda T \)

1) только А
2) только Б
3) А и В
4) В и Г

11. Установите соответствие между названием опыта (в левом столбце таблицы) и явлением, которое в этом опыте наблюдается (в правом столбце таблицы). В таблице под номером физической величины левого столбца запишите соответствующий номер выбранного вами элемента правого столбца.

ВЕЛИЧИНА
A) опыты Фарадея
Б) опыт Эрстеда
B) опыт Ампера

ХАРАКТЕР ИЗМЕНЕНИЯ ЗНАЧЕНИЯ ВЕЛИЧИНЫ
1) действие проводника с током на магнитную стрелку
2) электромагнитная индукция
3) взаимодействие проводников с током

12. Установите соответствие между техническими устройствами и физическими явлениями, лежащими в основе их работы.

ТЕХНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА
A) генератор электрического тока
Б) электрический двигатель
B) электромагнитное реле

ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ
1) взаимодействие постоянных магнитов
2) взаимодействие проводников с током
3) возникновение электрического тока в проводнике при его движении в магнитном поле
4) магнитное действие проводника с током
5) действие магнитного поля на проводник с током

Часть 2

13. На какую частоту нужно настроить радиоприёмник, чтобы слушать радиостанцию, которая передает сигналы па длине волны 2,825 м?

1) 106,2 кГц
2) 106,2 МГц
3) 847,5 кГц
4) 847,5 МГц

Электромагнитная индукция

Возникновение электрического тока в замкнутом проводнике (замкнутой цепи) возможно при помощи обратного преобразования из магнитного потока в электрический. Это явление называется электромагнитной индукцией. Возникновение электрического тока в замкнутой цепи возможно только при условии воздействия на проводник в замкнутой цепи переменного/изменяющего магнитного поля. Такие изменения магнитного потока можно представить изменением числа магнитных линий, которые пронизывают контур с током (например катушку). Самый простой случай возникновения электромагнитной индукции в проводнике — это физическое движение/перемещение магнита относительно замкнутого проводника, в котором регистрируется электрический ток во время такого движения магнита. Если рассматривать явление электромагнитной индукции тока на примере классической катушки с намотанным на неё проводником, то полученный таким образом индукционный ток в следствие движения магнита внутри катушки будет зависеть от:

• Количества витков катушки
• Скорости изменения магнитного потока
• Свойств и типа (материала) самого магнита

Интересная и важная особенность, сопровождающая явление электромагнитной индукции тока: когда магнит движется в катушке с проводником, то в зависимости от направления движения будет изменяться и направление течения тока в проводнике. Величина выработанного тока в случае электромагнитной индукции зависит от свойств магнитного поля. Поскольку электрический ток появляется в результате действия электрического поля, то в случае электромагнитной индукции происходит процесс образования электрического поля из магнитного с помощью магнитного потока.

Магнитный поток отвечает за количество направленных магнитных линий, проходящих через ограниченную площадь или контур. Величина обозначается символом Sl (1 вебер ). Величина магнитного потока определяется количеством магнитных линий в нём. Магнитный поток всегда характеризует весь магнит целиком, а не какое-то его отдельное проявление в определённой точке, магнитный поток можно считать энергетическим потенциалом отдельно взятого магнита.
Магнитный поток и впоследствии вырабатываемый в результате электромагнитной индукции ток зависит от некоторых закономерностей:

• Магнитный поток прямо пропорционален интенсивности магнитной индукции.

  (где Sl — магнитный поток (1 вебер ), B — магнитная индукция (1 Тесла ))

• Магнитный поток прямо пропорционален площади поверхности, через которую проходят линии магнитной индукции.

  (где Sl — магнитный поток (1 вебер ), S — площадь поверхности)

• Воздействие магнитного потока зависит от угла расположения площади поверхности/контура по отношению к источнику магнитного поля.

• Сила полученного в результате электромагнитной индукции тока напрямую зависит от скорости изменения магнитного потока.

  (где I — сила тока (1 ампер ), Sl — изменяемый магнитный поток (1 вебер ), t — время изменения магнитного потока (1 секунда (с)))

Шелк

Люди всегда стремились жить лучше. Кто-то может подумать, что это повод обвинить человечество в алчности. Но часто речь идет об обретении элементарного бытового удобства.

В средневековой Европе умели делать ткани шерстяные, хлопковые и льняные. А еще в то время люди страдали от избытка блох и вшей. При этом в китайской цивилизации уже научились виртуозно ткать шелк. Одежда из него не подпускала кровососов к коже человека. Лапки насекомых скользили по гладкой ткани, и вши сваливались. Поэтому европейцы захотели во что бы то ни стало одеваться в шелк. А торговцы подумали, что это еще одна возможность разбогатеть. Поэтому был проложен Великий шелковый путь.

Только так желанную ткань доставляли страждущей Европе. И настолько много людей вовлекались в процесс, что в результате возникали города, империи спорили за право взимать налоги, а некоторые отрезки пути до сих пор наиболее удобный способ добраться до нужного места.

Теория

Закон индукции Фарадея и закон Ленца

Соленоид

Продольное сечение соленоида с протекающим через него постоянным электрическим током. Показаны силовые линии магнитного поля, их направление показано стрелками. Магнитный поток соответствует «плотности силовых линий». Таким образом, магнитный поток наиболее плотный в середине соленоида и самый слабый за его пределами.

Закон индукции Фарадея использует магнитный поток Φ _B через область пространства, заключенную в проволочную петлю. Магнитный поток определяется поверхностным интегралом :

ΦBзнак равно∫ΣB⋅dА ,{\ Displaystyle \ Phi _ {\ mathrm {B}} = \ int \ limits _ {\ Sigma} \ mathbf {B} \ cdot d \ mathbf {A} \,}

где d A — элемент поверхности Σ, заключенной в проволочную петлю, B — магнитное поле. Скалярное произведение B · d A соответствует бесконечно малого количества магнитного потока. Проще говоря, магнитный поток через проволочную петлю пропорционален количеству линий магнитного потока, которые проходят через петлю.

Когда поток через поверхность изменяется, закон индукции Фарадея гласит, что проволочная петля приобретает электродвижущую силу (ЭДС). Наиболее распространенный вариант этого закона гласит , что индуцированная электродвижущая сила в любой замкнутой цепи равна скорости изменения этого магнитного потока , охваченной цепью:

Eзнак равно-dΦBdт {\ displaystyle {\ mathcal {E}} = — {{d \ Phi _ {\ mathrm {B}}} \ over dt} \},

где — ЭДС, а Φ _B — магнитный поток . Направление электродвижущей силы задается законом Ленца, который гласит, что индуцированный ток будет течь в направлении, которое будет противодействовать вызвавшему его изменению. Это связано с отрицательным знаком в предыдущем уравнении. Чтобы увеличить генерируемую ЭДС, общий подход состоит в том, чтобы использовать потокосцепление , создавая туго намотанную катушку провода , состоящую из N идентичных витков, каждый с одинаковым магнитным потоком, проходящим через них. Результирующая ЭДС в N раз больше, чем у одного провода.
E{\ displaystyle {\ mathcal {E}}}

Eзнак равно-NdΦBdт{\ displaystyle {\ mathcal {E}} = — N {{d \ Phi _ {\ mathrm {B}}} \ over dt}}

Генерация ЭДС за счет изменения магнитного потока через поверхность проволочной петли может быть достигнута несколькими способами:

1. магнитное поле B изменяется (например, переменное магнитное поле или перемещение проволочной петли к стержневому магниту, где поле B сильнее),
2. проволочная петля деформируется и поверхность Σ изменяется,
3. ориентация поверхности d A изменяется (например, вращение проволочной петли в фиксированное магнитное поле),
4. любая комбинация вышеперечисленного

Уравнение Максвелла – Фарадея

В общем, связь между ЭДС в проволочной петле, охватывающей поверхность Σ, и электрическим полем E в проводе определяется выражением
E{\ displaystyle {\ mathcal {E}}}

Eзнак равно∮∂ΣE⋅dℓ{\ Displaystyle {\ mathcal {E}} = \ oint _ {\ partial \ Sigma} \ mathbf {E} \ cdot d {\ boldsymbol {\ ell}}}

где d ℓ — элемент контура поверхности Σ, объединяя это с определением потока

ΦBзнак равно∫ΣB⋅dА ,{\ Displaystyle \ Phi _ {\ mathrm {B}} = \ int \ limits _ {\ Sigma} \ mathbf {B} \ cdot d \ mathbf {A} \,}

мы можем записать интегральную форму уравнения Максвелла – Фарадея

∮∂ΣE⋅dℓзнак равно-ddт∫ΣB⋅dА{\ displaystyle \ oint _ {\ partial \ Sigma} \ mathbf {E} \ cdot d {\ boldsymbol {\ ell}} = — {\ frac {d} {dt}} {\ int _ {\ Sigma} \ mathbf {B} \ cdot d \ mathbf {A}}}

Это одно из четырех уравнений Максвелла , поэтому оно играет фундаментальную роль в теории классического электромагнетизма .

Закон Фарадея и относительность

Закон Фарадея описывает два разных явления: ЭДС движения, создаваемая магнитной силой на движущемся проводе (см. ), и ЭДС трансформатора, которая создается электрической силой из-за изменяющегося магнитного поля (из-за дифференциальной формы )

Джеймс Клерк Максвелл обратил внимание на отдельные физические явления в 1861 году. Считается, что это уникальный пример в физике того, где такой фундаментальный закон используется для объяснения двух таких разных явлений.

Альберт Эйнштейн заметил, что обе эти ситуации соответствуют относительному движению между проводником и магнитом, и на результат не влияет то, какой из них движется. Это был один из основных путей, которые привели его к развитию специальной теории относительности .

Самоиндукция

В этом случае рассматривается ситуация, когда изменение движения электронов порождает ЭДС, вызывающий индукционный ток в этом же проводнике.

Взяв за основу правило Ленца, можно утверждать, что он имеет направление, противоположное первоначальному изменению.

Самоиндукция похожа на явление инерции. Тяжёлое тело невозможно остановить мгновенно. Также нельзя изменить силу тока за один миг до нужной величины из-за наличия явления самоиндукции.

Это свойство можно продемонстрировать следующим опытом. Нужно сделать две электрических цепи. В одной из них имеется источник и лампочка. Другая сделана аналогичным образом, но различие состоит в том, что в цепь добавлена катушка.

В первой цепи после включения лампочка загорается сразу. Во второй, учитывая наличие индуктивного элемента, это происходит с заметным опозданием.

После размыкания свет в первой лампочке отключается практически мгновенно, а во второй это происходит замедленно

Важно отметить, что в процессе выключения индукционный ток может превысить первоначальный. Поскольку в этой ситуации он направлен также, как и рабочий, то сила тока может возрасти

В некоторых цепях это может вызвать перегорание лампочки.

Магнитное поле проводника с током

Электрический ток, протекающий по проводнику с током, создает в окружающем его пространстве магнитное поле. Чем больше ток, проходящий по проводнику, тем сильнее возникающее вокруг него магнитное поле.

Магнитные силовые линии этого поля располагаются по концентрическим окружностям, в центре которых находится проводник с током.

Направление линий магнитного поля вокруг проводника с током всегда находится в строгом соответствии с направлением тока, проходящего по проводнику.

Направление магнитных силовых линий можно определить по правилу буравчика: если поступательное движение буравчика (1) совпадает с направлением тока (2) в проводнике, то вращение его рукоятки укажет направление силовых линий (4) магнитного поля вокруг проводника.

При изменении направления тока линии магнитного поля также изменяют свое направление.

По мере удаления от проводника магнитные силовые линии располагаются реже. Следовательно, индукция магнитного поля уменьшается.

Направление тока в проводнике принято изображать точкой, если ток идет к нам, и крестиком, если ток направлен от нас.

Для получения сильных магнитных полей при небольших токах обычно увеличивают число проводников с током и выполняют их в виде ряда витков; такое устройство называют катушкой.

В проводнике, согнутом в виде витка, магнитные поля, образованные всеми участками этого проводника, будут внутри витка иметь одинаковое направление. Поэтому интенсивность магнитного поля внутри витка будет больше, чем вокруг прямолинейного проводника. При объединении витков в катушку магнитные поля, созданные отдельными витками, складываются. При этом концентрация силовых линий внутри катушки возрастает, т. е. магнитное поле внутри нее усиливается.

Чем больше ток, проходящий через катушку, и чем больше в ней витков, тем сильнее создаваемое катушкой магнитное поле. Магнитное поле снаружи катушки также складывается из магнитных полей отдельных витков, однако магнитные силовые линии располагаются не так густо, вследствие чего интенсивность магнитного поля там не столь велика, как внутри катушки.

Магнитное поле катушки с током имеет такую же форму, как и поле прямолинейного постоянного магнита: силовые магнитные линии выходят из одного конца катушки и входят в другой ее конец. Поэтому катушка с током представляет собой искусственный электрический магнит. Обычно для усиления магнитного поля внутрь катушки вставляют стальной сердечник; такую катушку называют электромагнитом.

Направление линий магнитной индукции катушки с током находят по правилу правой руки:

если мысленно обхватить катушку с током ладонью правой руки так, чтобы четыре пальца указывали направление тока в ее витках, тогда большой палец укажет направление вектора магнитной индукции.

Для определения направления линий магнитного поля, создаваемого витком или катушкой, можно использовать также правило буравчика:

если вращать ручку буравчика по направлению тока в витке или катушке, то поступательное движение буравчика укажет направление вектора магнитной индукции.

Электромагниты нашли чрезвычайно широкое применение в технике. Полярность электромагнита (направление магнитного поля) можно определить и с помощью правила правой руки.

Магнитное или электрическое?

В начале девятнадцатого века ученые поняли, как получать постоянный ток. Была создана первая примитивная батарейка. Ее хватало для того, чтобы пустить по металлическим проводникам поток электронов. Благодаря первому источнику электричества был совершен ряд открытий.

В 1820 году датский ученый Ханс Кристиан Эрстед выяснил: магнитная стрелка отклоняется рядом со включенным в сеть проводником. Положительный полюс компаса всегда расположен определенным образом по отношению к направлению тока. Ученый производил опыт во всех возможных геометриях: проводник был над или под стрелкой, они располагались параллельно или перпендикулярно. В результате всегда получалось одно и то же: включенный ток приводил в движение магнит. Так было предвосхищено открытие явления электромагнитной индукции.

Но мысль ученых должна подтверждаться экспериментом. Сразу после опыта Эрстеда английский физик Майкл Фарадей задался вопросом: «Магнитное и электрическое поле просто влияют друг на друга, или они связаны теснее?» Первым ученый проверил предположение, что если электрическое поле заставляет отклоняться намагниченный предмет, то магнит должен порождать ток.

Схема опыта проста. Сейчас ее может повторить любой школьник. Тонкая металлическая проволока была свернута в форме пружины. Ее концы подключались к прибору, регистрирующему ток. Когда рядом с катушкой двигался магнит — стрелка устройства показывала напряжение электрического поля. Таким образом был выведен закон электромагнитной индукции Фарадея.

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ

Часть 1

1. В катушку, соединённую с гальванометром, вносят магнит. Направление индукционного тока зависит

А. От скорости перемещения магнита. Б. От того, каким полюсом вносят магнит в катушку.

Правильный ответ

1) только А 2) только Б 3) и А, и Б 4) ни А, ни Б

2. В катушку, соединённую с гальванометром, вносят магнит. Сила индукционного тока зависит

А. от скорости перемещения магнита Б. от того, каким полюсом вносят магнит в катушку

1) только А 2) только Б 3) и А, и Б 4) ни А, ни Б

3. Постоянный магнит вносят в катушку, замкнутую на гальванометр (см. рисунок).

Если выносить магнит из катушки с большей скоростью, то показания гальванометра будут примерно соответствовать рисунку

4. Две одинаковые катушки замкнуты на гальванометры. В катушку А вносят полосовой магнит, а из катушки Б вынимают такой же полосовой магнит. В какой катушке гальванометр зафиксирует индукционный ток?

1) только в катушке А 2) только в катушке Б 3) в обеих катушках 4) ни в одной из катушек

5. В первом случае магнит вносят в сплошное эбонитовое кольцо, а во втором случае выносят из сплошного медного кольца (см. рисунок).

Индукционный ток

1) возникает только в эбонитовом кольце 2) возникает только в медном кольце 3) возникает в обоих кольцах 4) не возникает ни в одном из колец

6. Внутри катушки, соединённой с гальванометром, находится малая катушка, подключённая к источнику постоянного тока. В каком из перечисленных опытов гальванометр зафиксирует индукционный ток?

А. В малой катушке выключают электрический ток. Б. Малую катушку вынимают из большой.

1) только в опыте А 2) только в опыте Б 3) в обоих опытах 4) ни в одном из опытов

7. Внутри катушки, соединённой с гальванометром, находится малая катушка, подключённая к источнику тока. Первую секунду от начала эксперимента малая катушка неподвижна внутри большой катушки. Затем в течение следующей секунды её вынимают из большой катушки. Третью секунду малая катушка находится вне большой катушки. В течение четвертой секунды малую катушку вдвигают в большую. В какой(-ие) промежуток(-ки) времени гальванометр зафиксирует появление индукционного тока?

1) только 0-1 с 2) 1 с-2 с и 3 с-4 с 3) 0-1 с и 2 с-3 с 4) только 1 с-2 с

8. Внутри катушки, соединённой с гальванометром, находится малая катушка, подключённая к источнику тока. Оси катушек совпадают. Первую секунду от начала эксперимента малая катушка неподвижна внутри большой катушки. Затем в течение следующей секунды её вращают относительно вертикальной оси по часовой стрелке. Третью секунду малая катушка вновь остаётся в покое. В течение четвёртой секунды малую катушку вращают против часовой стрелки. В какие промежутки времени гальванометр зафиксирует появление индукционного тока в катушке?

1) индукционный ток может возникнуть в любой промежуток времени 2) индукционный ток возникнет в промежутках времени 1-2 с, 3-4 с 3) индукционный ток не возникнет ни в какой промежуток времени 4) индукционный ток возникнет в промежутках времени 0-1 с, 2-3 с

9. К электромагнитным волнам относятся:

A. Волны на поверхности воды. Б. Радиоволны. B. Световые волны.

Укажите правильный ответ.

1) только А 2) только Б 3) только В 4) Б и В

10. Какие из приведённых ниже формул могут быть использованы для определения скорости электромагнитной волны?

A. ​\( v=\lambda\nu \)​ Б. \( v=\frac{\lambda}{\nu} \) В. \( v=\frac{\lambda}{T} \) Г. \( v=\lambda T \)

1) только А 2) только Б 3) А и В 4) В и Г

11. Установите соответствие между названием опыта (в левом столбце таблицы) и явлением, которое в этом опыте наблюдается (в правом столбце таблицы). В таблице под номером физической величины левого столбца запишите соответствующий номер выбранного вами элемента правого столбца.

ВЕЛИЧИНА A) опыты Фарадея Б) опыт Эрстеда B) опыт Ампера

ХАРАКТЕР ИЗМЕНЕНИЯ ЗНАЧЕНИЯ ВЕЛИЧИНЫ 1) действие проводника с током на магнитную стрелку 2) электромагнитная индукция 3) взаимодействие проводников с током

12. Установите соответствие между техническими устройствами и физическими явлениями, лежащими в основе их работы.

ТЕХНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА A) генератор электрического тока Б) электрический двигатель B) электромагнитное реле

ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ 1) взаимодействие постоянных магнитов 2) взаимодействие проводников с током 3) возникновение электрического тока в проводнике при его движении в магнитном поле 4) магнитное действие проводника с током 5) действие магнитного поля на проводник с током

Часть 2

13. На какую частоту нужно настроить радиоприёмник, чтобы слушать радиостанцию, которая передает сигналы па длине волны 2,825 м?

1) 106,2 кГц 2) 106,2 МГц 3) 847,5 кГц 4) 847,5 МГц

Взаимодействие магнита с контуром

В качестве наглядного примера взаимодействия магнита и контура в сделанную из медного провода катушку помещают магнит. Если магнит медленно вставлять внутрь катушки, происходит постепенное увеличение пересекающего ее витки создаваемого магнитом потока. Появляющееся вследствие такой манипуляции упорядоченное движение частиц в катушке будет направлено по часовой стрелке, создавая собственное магнитное поле, ослабляющее поле магнита, отталкивая его тем самым от катушки.

Если магнит отдаляют от контура, его поток уменьшается, а заряженные частицы начинают двигаться против часовой стрелки, вследствие чего возникающая совокупность силовых магнитных линий будет притягивать магнит.

На заметку. В случае с незамкнутым (открытым) контуром: металлическим или алюминиевым кольцом, имеющим прорезь; катушкой, витки которой не замкнуты через амперметр, источник питания, данная закономерность, как и правило Ленца, не работает.