Электромагнитная индукция. Магнитный поток

На прошлых уроках мы с вами говорили о магнитном поле и его характеристиках. Давайте вспомним, что магнитное поле — это силовое поле, возникающее при движении электрических зарядов независимо от рода проводника или среды, в которой эти заряды движутся.

Силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции, направление которого в данной точке совпадает с направлением силовой магнитной линии, проходящей через эту точку:

Магнитная индукция характеризует магнитное поле в конкретной точке пространства. А для характеристики магнитного поля во всех точках пространства, ограниченного замкнутым контуром, вводят физическую величину, называемую магнитным потоком (или потоком магнитной индукции).

Что мы понимаем под потоком в обычной жизни? Кто-то подумает о потоках воды в реке, а кто-то о ветре — потоках воздуха.

Аналогично и с магнитным потоком, который можно рассматривать как величину, пропорциональную числу магнитных линий, проходящих через площадь, ограничивающую некоторую поверхность.

Итак, магнитным потоком через плоскую поверхность, находящуюся в однородном магнитном поле, называют скалярную физическую величину, равную произведению модуля индукции магнитного поля, площади поверхности, ограниченной контуром, и косинуса угла между направлениями нормали к этой поверхности и магнитной индукции:

В системе СИ за единицу магнитного потока принят вебер, названный так в честь немецкого учёного Вильгельма Эдуарда Вебера, главные работы которого посвящены изучению магнитных явлений и электричества.

1 Вб — это магнитный поток однородного магнитного поля индукцией 1 Тл через плоскую поверхность площадью 1 м², расположенную перпендикулярно линиям индукции магнитного поля:

Но вернёмся к определению магнитного потока. Его анализ показывает, что изменить магнитный поток через поверхность, ограниченную контуром, можно тремя способами:

изменяя индукцию магнитного поля, в котором находится контур;

размеры этого контура;

а также ориентацию контура в магнитном поле. При этом очевидно, что в случаях, когда линии магнитной индукции перпендикулярны плоскости контура, магнитный поток достигает своего максимума. А в случае, когда плоскость контура параллельна линиям индукции, магнитный поток равен нулю.

Теперь, для примера, давайте с вами решим такую задачу. Линии магнитной индукции направлены перпендикулярно к плоскости, в которой с частотой 0,3 Гц вращается прямоугольная рамка с током. Определите время, за которое магнитный поток через рамку уменьшится в два раза?

После опытов Эрстеда и Ампера стало понятно, что электрические и магнитные поля имеют одни и те же источники — движущиеся электрические заряды. Это навело многих учёных на мысль о том, что электрические и магнитные поля должны быть как-то взаимосвязаны друг с другом. Великий английский учёный Майкл Фарадей, в декабре 1821 года в своём дневнике оставил такую запись: «Превратить магнетизм в электричество!»

Учёный рассуждал примерно так: раз электрический ток может намагнитить железный проводник, то не может ли магнит, в свою очередь, вызвать появление электрического тока в проводнике?

Спустя 10 лет, а именно 29 августа 1831 года фундаментальная задача была решена. В течение месяца Майкл Фарадей провёл серию опытов, позволивших ему сделать величайшее открытие того времени. Рассмотрим некоторые из них.

Итак, для начала давайте с вами соберём чувствительную цепь, состоящую из источника тока, двух катушек разного диаметра, гальванометра и ключа.

Одну катушку мы подключим к источнику тока, а концы второй катушки соединим с гальванометром. Вставим одну катушку внутрь второй. Наблюдая за гальванометром, замкнём ключ — стрелка отклоняется на несколько делений, а затем возвращается в исходное положение. Движение стрелки говорит нам о том, что по виткам внутренней катушки прошёл кратковременный электрический ток. А теперь разомкнём цепь — по катушке вновь протекает ток, но уже в обратном направлении.

Повторим опыт, но теперь оставим ключ в замкнутом положении, а катушку, соединённую с гальванометром, будем перемещать относительно первой катушки.

Не трудно заметить, что при движении катушки в цепи протекает ток. Фарадей также заметил, что если перемещать катушку, соединённую с источником тока, оставляя вторую катушку неподвижной, то результат будет тот же.

Эти наблюдаемые Фарадеем мгновенные вторичные токи, которые вызываются влиянием первичных токов, были названы им индукционными токами, то есть наведёнными.

Но учёный не остановился на достигнутом и решил выяснить, не влияет ли на появление индукционных токов источник тока? Для этого Фарадей собрал цепь, состоящую только из катушки и гальванометра. Затем он взял постоянный полосовой магнит и начал вводить его внутрь катушки.

Какого же было удивление учёного, когда он заметил, что во время движения магнита стрелка гальванометра отклонялась, указывая на возникновение индукционного тока в цепи катушки. Это же явление можно наблюдать, если магнит оставить неподвижным, а двигать подключённую к гальванометру катушку. Но вот вращение магнита внутри катушки не вызывало появление индукционного тока.

На основании этого Фарадей пришёл к выводу о том, что «ток возникает лишь при движении магнита относительно провода, а не в силу свойств, присущих ему в покое».

Что бы убедиться в своих выводах, Фарадей проделал ещё несколько опытов. В одном из них он поместил в магнитное поле плоский контур, концы которого были соединены с гальванометром. Когда контур приводился во вращение, стрелка гальванометра отклонялась, то в одну, то в другую сторону, фиксируя появление индукционного тока. Ток возникал и тогда, когда рядом с контуром или внутри него приводился во вращение постоянный магнит.

И несмотря на то, что рассмотренные нами опыты внешне выглядят различно, Фарадей уловил в них нечто общее — то, от чего зависит возникновение индукционного тока. А именно в замкнутом проводящем контуре индукционный ток возникает только тогда, когда изменяется число линий магнитной индукции, пронизывающих поверхность, ограниченную этим контуром.

Чуть ранее мы с вами показали, что число линий индукции, пронизывающих рамку, определяет магнитный поток. Поэтому можно сказать, что при всяком изменении магнитного потока, пронизывающего замкнутый проводящий контур, в этом контуре возникает индукционный ток, существующий в течение всего времени изменения магнитного потока.

В этом состоит суть явления электромагнитной индукции на качественном уровне. О его количественной стороне мы с вами поговорим на одном из следующих занятий.

В дневнике Майкл Фарадей записал дату открытия явления электромагнитной индукции — 29 августа 1831 года. Интересно, но почти одновременно с Фарадеем похожие эксперименты проводил и швейцарский физик Жан-Даниэль Колладон. Его опыты были в целом похожи на опыт Фарадея. Однако, чтобы магнит не оказывал влияния на стрелку гальванометра, выводил концы катушки в соседнюю комнату. Поместив магнит в катушку, Колладон шёл к гальванометру и разочарованно убеждался в отсутствии тока. Интересно, кому бы принадлежало открытие такого замечательного явления, если бы свои опыты Колладон проводил с помощником?

О значимости открытого явления электромагнитной индукции долго спорил научный мир. В архивах даже сохранилась такая запись:

«Однажды после лекции Майкла Фарадея в Королевском обществе, где он демонстрировал свои опыты, к нему подошёл богатый коммерсант, оказывавший обществу материальную поддержку, и надменным голосом спросил:

— Всё, что вы нам здесь показывали, господин Фарадей, действительно красиво. Но теперь скажите мне, для чего годится эта магнитная индукция!?

— А для чего годится только что родившийся ребёнок? — спросил в ответ рассердившийся Фарадей».

В последующие годы на этот вопрос ответили многие учёные и изобретатели. Так Эмилий Христианович Ленц, Борис Семёнович Якоби и Михаил Иосифович Доливо-Добровольский внесли огромный вклад в развитие электротехники.

А французский изобретатель Ипполи́т Пи́кси в 1832)году первую в мире динамо-машину, которая заложила основу для промышленного производства электроэнергии.

В современном мире на явлении электромагнитной индукции работают мобильные телефоны и планшеты, компьютеры и ноутбуки, наушники и микрофоны, модные смарт-часы и фитнес-браслеты. А ведь без явления, которое было открыто Майклом Фарадеем в 1831 году, эти приборы создать было бы невозможно и по сей день.