§ 18. Досліджуємо явище електромагнітної індукції

• Назад до змісту довідника

Назад до змісту довідника

ДОСЛІДЖУЙ

Опиши, коли і як змінюється відхилення стрілки.

Стрілка вимірювального приладу відхиляється від нуля тільки під час руху магніту відносно котушки. Під час наближення магніту стрілка відхиляється в один бік, а під час віддалення — у протилежний бік. Коли магніт зупиняють і він нерухомо лежить усередині котушки, стрілка повертається на нульову поділку і показує відсутність струму.

Висунь гіпотезу: що могло викликати появу струму — рух магніту, зміна магнітного поля, контакт металів.

Появу електричного струму в замкненій котушці викликає зміна магнітного поля, яке пронизує її витки. Рух магніту є лише способом зміни цього поля, адже під час переміщення магніту змінюється густина ліній магнітної індукції крізь контур котушки.

Заплануй перевірку. Що відбудеться, якщо:

• збільшити швидкість руху магніту?
Стрілка приладу відхилиться на більший кут, оскільки швидкість зміни магнітного поля зросте і це збільшить силу індукційного струму.

• взяти сильніший магніт?
Покази приладу зростуть, бо сильніший магніт має більшу магнітну індукцію, тому під час його руху магнітне поле в котушці змінюється значно сильніше.

• використати більше витків у котушці?
Сила індукційного струму істотно збільшиться і стрілка відхилиться сильніше, оскільки індукційне електричне поле діє на вільні заряди в кожному витку і загальний ефект додається.

ДУМАЙ

1. У чому полягає явище електромагнітної індукції?

Явище електромагнітної індукції полягає у виникненні електричного струму в замкненому провідному контурі в разі зміни кількості ліній магнітної індукції, що пронизують поверхню, обмежену цим контуром.

2. Який струм називають індукційним?

Індукційним називають електричний струм, який виникає в замкненому провіднику внаслідок зміни зовнішнього магнітного поля.

3. Які причини виникнення індукційного струму?

Причиною виникнення індукційного струму є поява в навколишньому просторі змінного електричного (вихрового) поля, яке породжується змінним магнітним полем. Саме це електричне поле діє на вільні заряджені частинки всередині провідника і надає їм упорядкованого напрямленого руху.

4. Як визначити напрям індукційного струму?

Напрям індукційного струму визначають за правилом Ленца: індукційний струм у замкненому контурі завжди має такий напрям, що створене ним власне магнітне поле протидіє зміні зовнішнього магнітного поля, яка викликала цей струм.

Алгоритм визначення напрямку:

1. Визначають напрям вектора магнітної індукції зовнішнього магнітного поля $\vec{B}_{\text{зов}}$.
2. З’ясовують, посилюється чи послаблюється зовнішнє магнітне поле крізь контур.
3. Визначають напрям власного індукованого магнітного поля $\vec{B}_{\text{інд}}$: якщо зовнішнє поле наростає, то $\vec{B}_{\text{інд}}$ напрямлене проти нього; якщо зовнішнє поле слабшає, то $\vec{B}_{\text{інд}}$ збігається за напрямком із $\vec{B}_{\text{зов}}$.
4. За правилом правої руки (або свердлика) знаходять напрям індукційного струму в котушці.

ВИКОНАЙ ДОСЛІДЖЕННЯ

1. Перевір умови виникнення індукційного струму в замкненій котушці. Обладнання: міліамперметр, два штабові магніти, дротяна котушка.

Результати спостережень під час досліджень:

2. Досліди умови виникнення індукційного струму в замкненій котушці у випадку, коли дві котушки надіто на спільне осердя.

• Процеси в разі замикання ключа:
У момент замикання ключа струм у первинній котушці зростає від нуля до максимального значення. Це створює в залізному осерді магнітне поле, яке швидко посилюється і пронизує вторинну котушку. Змінне магнітне поле породжує вихрове електричне поле, тому у вторинній котушці виникає короткочасний індукційний струм, а стрілка приладу відхиляється. Після встановлення постійного струму поле перестає змінюватися, тому стрілка повертається на нуль.

• Процеси в разі зміни опору реостата:
Під час переміщення повзунка реостата змінюється загальний опір кола і відповідно змінюється сила струму в первинній котушці. Внаслідок цього змінюється магнітне поле в осерді, і у вторинній котушці весь час руху повзунка тече індукційний струм.

3. Переконайся в тому, що замкненість контуру є обов’язковою умовою для виникнення явища електромагнітної індукції.

Замкненість провідника є обов’язковою умовою для протікання струму. Якщо контур розімкнений, змінне магнітне поле все одно створює індукційне електричне поле та електрорушійну силу на кінцях провідника, але вільні заряди не можуть утворити безперервний ланцюг руху, тому електричний струм у колі дорівнює нулю.

Поведінка кілець на стійці:

• а) під час піднесення магніту: суцільне кільце відштовхується від магніту і пластинка повертається навколо осі;
• б) під час відсування магніту: суцільне кільце притягується до магніту і рухається слідом за ним;
• в) під час піднесення магніту південним полюсом: суцільне кільце так само відштовхується від магніту, бо при збільшенні поля на ближчому боці кільця виникає однойменний південний полюс.

Якщо магніт підносити до розрізаного алюмінієвого кільця, воно залишається абсолютно нерухомим. Через розріз коло розімкнене, струм не виникає і власне магнітне поле кільця не з’являється.

Перевірка правила Ленца на цьому приладі підтверджується тим, що суцільне кільце завжди відштовхується під час наближення магніту (протидіє зростанню зовнішнього поля) і завжди притягується під час віддалення магніту (протидіє зменшенню поля).

4. Виконай віртуальну лабораторну роботу 18.3.

Для виконання роботи використовуємо комп’ютерну модель PhET «Закон Фарадея».

Тема: Дослідження явища електромагнітної індукції.
Мета: Перевірити умови збудження індукційного струму, дослідити залежність струму від швидкості руху магніту та числа витків котушки, підтвердити правило Ленца.
Обладнання: Комп’ютерна симуляція (віртуальна котушка, магніт, вимірювальний прилад, лампочка).

Результати віртуальних випробувань:

Висновки:

1. Індукційний струм виникає виключно під час зміни магнітного поля крізь витки котушки.
2. Сила струму зростає зі збільшенням швидкості руху магніту та кількості витків.
3. Напрям струму відповідає правилу Ленца і змінюється на протилежний під час зміни напрямку руху магніту або його полюсів.

ОПРАЦЮЙ ІНФОРМАЦІЮ

Завдання 1. Знайдіть у різних джерелах інформацію про те, як М. Фарадей (в Англії) і Дж. Генрі (у США) незалежно один від одного одночасно відкрили явище електромагнітної індукції. З’ясуйте: які схожі результати вони отримали; чим відрізнялися їхні установки; хто опублікував результати першим.

• Схожі результати: Обидва дослідники встановили, що електричний струм виникає в замкненому провіднику тільки тоді, коли магнітне поле навколо нього зазнає змін (під час руху постійного магніту, вмикання чи вимикання струму в сусідньому електромагніті).
• Відмінності установок: Майкл Фарадей використав залізне кільце з двома окремими обмотками з мідного дроту, які були ізольовані тканиною і нитками. Джозеф Генрі застосовував розроблені ним надпотужні багатовиткові електромагніти з шовковою ізоляцією та довгі проводи, а також помітив явище виникнення струму у витках під час розриву власного кола (самоіндукцію).
• Хто опублікував першим: Майкл Фарадей провів вирішальний дослід у серпні 1831 року і доповів про результати перед Лондонським королівським товариством у листопаді того ж року, тому першість відкриття офіційно закріплена за ним. Джозеф Генрі спостерігав це явище приблизно в той самий час або навіть трохи раніше, але через викладацьку роботу відклав публікацію до 1832 року.

Завдання 2. Знайдіть в науково-популярних матеріалах пояснення і спробуйте сформулювати, чому індукційний струм завжди протидіє причині, що його викликає.

Протидія індукційного струму причині своєї появи є прямим проявом фундаментального закону збереження енергії.

Якщо припустити зворотне — що струм сприяв би руху магніту, то під час наближення магніту до котушки вона притягувала б його. Тоді магніт нескінченно прискорювався б сам по собі без будь-яких витрат сил і без виконання роботи. Це означало б появу кінетичної та електричної енергії з нічого, що в природі неможливо.

Тому контур чинить опір змінам, а людина чи зовнішній механізм виконує механічну роботу з подолання цього магнітного відштовхування або притягання. Саме ця витрачена механічна робота й перетворюється на енергію електричного струму.