Явление электромагнитной индукции. Правило Ленца

Прежде чем начать наш урок, давайте подумаем, что нужно современному школьнику? Конечно же компьютер или ноутбук, например, чтобы общаться в мессенджере с друзьями из других городов. Тогда нужны ещё наушники и микрофон. А кто-то из вас скажет, что компьютер — это прошлый век, так как есть более компактные устройства — планшеты и мобильные телефоны. Но задумывался ли кто-нибудь из вас над тем, что лежит в основе работы подобных приборов. А ведь без явления, которое было открыто чуть более ста восьмидесяти пяти лет назад, эти приборы создать было бы невозможно и по сей день. Поэтому сегодня наша задача разгадать тайну работы многих из них. И тема нашего урока звучит так: явление электромагнитной индукции. Правило Ленца.

После опытов Эрстеда стало понятно, что электрические и магнитные поля имеют одни и те же источники — движущиеся электрические заряды. Это позволило предположить, что они каким-то образом связаны друг с другом. Фарадей был абсолютно уверен в единстве электрических и магнитных явлений. Вскоре после открытия Эрстеда в своём дневнике в декабре 1821 года он пишет: «Превратить магнетизм в электричество». На решение этой фундаментальной задачи ему понадобилось 10 лет.

Давайте и мы проведём несколько опытов, подобных опытам Фарадея, только с современными приборами. Соберём электрическую цепь, состоящую из источника тока, чувствительного гальванометра, двух катушек и ключа.

Подключим одну из катушек к источнику тока, а вторую катушку расположим так, чтобы часть её входила внутрь первой катушки. Соединив выводы второй катушки с гальванометром, замкнём ключ. Опыт показывает, что в момент замыкания ключа стрелка гальванометра отклоняется на несколько делений, а затем возвращается в исходное положение. Это говорит о том, что в течение короткого времени по виткам второй катушки протекал электрический ток.

Аналогичное явление наблюдается и при размыкании ключа, только в этом случае стрелка гальванометра отклоняется в противоположную сторону, что свидетельствует об изменении направления тока в катушке.

Проделаем другой опыт Фарадея, используя то же самое оборудование. Только на этот раз ключ оставим в замкнутом положении, а катушку, соединённую с гальванометром, будем перемещать относительно первой катушки, подключённой к источнику тока. В процессе перемещения катушки в её цепи протекает ток.

Как установил учёный, неважно, какая из катушек перемещается: можно перемещать катушку, соединённую с источником, оставляя вторую катушку неподвижной. Результат будет тот же самый — в цепи катушки, соединённой с гальванометром, появляется ток.

Эти вторичные мгновенные токи, вызываемые влиянием первичных, названы были Фарадеем индукционными, то есть наведёнными, и это название сохранилось за ними и до наших дней.

— Но как объяснить результаты опытов? Может быть здесь важную роль играет наличие источника тока?

Давайте попробуем ответить и на этот вопрос. Для чего проведём такой опыт. Соберём цепь, состоящую только из катушки и гальванометра.

Если теперь внутрь катушки вводить постоянный магнит, то стрелка гальванометра будет отклоняться, указывая на возникновение индукционного тока в цепи катушки. Это же явление можно наблюдать, если магнит оставить неподвижным, а двигать подключённую к гальванометру катушку.

Однако если мы, например, будем вращать магнит в катушке, то индукционный ток не возникнет.

Проделаем ещё несколько опытов. Поместим в магнитное поле плоский контур, концы которого соединены с гальванометром. Ели контур привести во вращение, то стрелка гальванометра начнёт отклоняться, фиксируя появление индукционного тока.

Ток также будет возникать и в случае, когда рядом с контуром или внутри него приводить во вращение постоянный магнит.

«Ток возникает лишь при движении магнита относительно провода, а не в силу свойств, присущих ему в покое», — записал Фарадей в свой научный дневник.

Хотя приведённые опыты внешне выглядят различно, Фарадей уловил нечто общее, от чего зависит возникновение индукционного тока. Именно в замкнутом проводящем контуре индукционный ток возникает только тогда, когда изменяется число линий магнитной индукции, пронизывающих поверхность, ограниченную этим контуром. Поскольку число линий индукции определяет магнитный поток, то при всяком изменении магнитного потока, пронизывающего замкнутый проводящий контур, в этом контуре возникает электрический ток, существующий в течение всего времени изменения магнитного потока.

Здесь мы сформулировали сущность явления электромагнитной индукции на качественном уровне. С количественной формулировкой закона электромагнитной индукции вы познакомитесь при дальнейшем изучении физики в старших классах.

В дневнике Майкла Фарадея записана дата открытия явления электромагнитной индукции — 29 августа 1831 года. Интересно, что почти в одно и то же время с Фарадеем эксперименты по получению электрического тока с помощью магнита проводил швейцарский физик Жан-Даниэль Колладон. Для этого он использовал гальванометр с лёгкой магнитной стрелкой. Чтобы магнит не оказывал влияния на стрелку прибора, концы катушки были выведены в соседнюю комнату и там присоединены к гальванометру. Вдвинув магнит в катушку, Колладон шёл в эту комнату и разочарованный убеждался, что гальванометр не показывал наличие тока в цепи.

Я думаю, вы догадались почему? Если бы он всё время наблюдал за гальванометром, а магнитом занимался бы кто-то другой, то замечательное открытие было бы сделано Колладоном.

Были попытки и у других учёных, например, американский физик Джозеф Генри также успешно проводил опыты по индукции токов в то же время, что и Майкл Фарадей. Но, по неизвестным причинам, учёный прекратил свои эксперименты и вернулся к ним лишь девять месяцев спустя. Сегодня точно известно, что открытие электромагнитной индукции Генри совершил в июне тысяча восемьсот тридцать второго года. Если бы Генри не прервал свои эксперименты. В таких случаях на ум приходит известная русская пословица: терпение и труд всё перетрут. А, как мы увидели, терпение позволило только Фарадею довести начатое дело до конца.

Однако оставался ещё один не решённый вопрос: каково направление возникающего индукционного тока?

Чтобы на него ответить проведём простой опыт. Возьмём два одинаковых алюминиевых кольца, закреплённых на концах алюминиевого коромысла.

Обратите внимание, что одно из колец сплошное, а в другом есть прорезь. Коромысло надето на иглу штатива и может свободно вращаться вокруг вертикальной оси. Возьмём полосовой магнит и внесём его в кольцо с разрезом — никаких изменений мы не наблюдаем. А теперь внесём магнит в сплошное кольцо. Удивительно, но у нас ничего не получается — кольцо «убегает» от магнита, поворачивая при этом всю пластинку.

— Почему же так происходит?

Дело в том, что при приближении к кольцу магнита, поле которого является неоднородным, проходящий сквозь кольцо магнитный поток увеличивается. При этом в сплошном кольце возникает индукционный ток, а в кольце с разрезом ток циркулировать не может.

Возникающий индукционный ток в сплошном кольце порождает в нём магнитное поле. При этом оно имеет такое направление, что линии индукции магнитного поля, порождённого индукционным током, направлены противоположно линиям индукции внешнего поля магнита. То есть, кольцо и магнит обращены друг к другу одноименными по́люсами.

Придержим кольцо рукой и внесём в него магнит. А теперь начнём его выдвигать из кольца — кольцо стремиться за магнитом.

Объясняется это тем, что при уменьшении магнитного потока (выдвигание магнита), индукционный ток имеет в нем такое направление, что линии индукции возникающего магнитного поля совпадают по направлению с линиями индукции внешнего магнитного поля. То есть кольцо и магнит обращены друг к другу разноимёнными полюсами.

Таким образом, проследив за взаимодействием между кольцом и магнитом во всех случаях и сравнив его с направлением движения магнита, можно видеть, что взаимодействие между полюсами всегда препятствует движению магнита.

В тысяча восемьсот тридцать четвёртом году русскому учёному Эмилию Христиановичу Ленцу удалось обобщить эти закономерности и сформулировать общее правило. Найденную им связь называют правилом Ленца: возникающий в замкнутом контуре индукционный ток своим магнитным полем противодействует изменению внешнего магнитного потока, которое вызвало этот ток.

Интересен, что о вопросах надобности и ненадобности открытия явления электромагнитной индукции долго спорил научный, и не только, мир. В архивах сохранилась следующая примечательная запись:

«Однажды после лекции 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? — ответил рассердившийся Фарадей.»

На вопрос коммерсанта в последующие годы ответили многие учёные и изобретатели. Среди них и были наши соотечественники: Эмилий Христианович Ленц, Борис Семёнович Якоби и Михаил Иосифович Доливо-Добровольский внёсшие незаменимый вклад в развитие электротехнике. А также французский изобретатель Ипполит Пикси, построивший в 1832 году первую динамо-машину, положившую основу для промышленного производства электроэнергии.