Підручник Фізика 9 клас з поглибленим вивченням - Т М. Засєкіна - Оріон 2017 рік

Розділ 1 МАГНІТНІ ЯВИЩА

§ 11. ДОСЛІДИ ФАРАДЕЯ. ЯВИЩЕ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОЇ ІНДУКЦІЇ. ІНДУКЦІЙНИЙ ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ

Ви дізнаєтесь

- Як отримати електричний струм за допомогою магнітного поля

Пригадайте

- Дослід Ерстеда

Досліди Фарадея. Після дослідів Ганса Ерстеда, які довели, що навколо провідника зі струмом виникає магнітне поле, природно було б поставити запитання: а чи можливе виникнення електричного струму в провідниках у результаті дії магнітного поля? Ученим не відразу вдалось отримали позитивний результат. Англійський фізик і хімік Майкл Фарадей провів понад 16 тисяч дослідів перед тим, як одержав електричний струм у провіднику за допомогою магнітного поля постійного магніту.

Майкл Фарадей (1791-1867) Англійський фізик і хімік

Емілій Християнович Ленц (при народженні Генріх Фридріх Еміль Ленц) (1804-1865) Російський фізик (німець за походженням)

На малюнку 79 зображено сучасний варіант одного з дослідів, який підтверджує, що електричний струм у провіднику можна отримати за допомогою магнітного поля.

Помістимо в котушку, що з’єднана з гальванометром, постійний магніт. Помітимо, що під час руху магніту стрілка гальванометра відхиляється праворуч. Але як тільки рух магніту припиняється, стрілка приладу повертається на нульову позначку.

Виймаючи магніт з котушки, помітимо, що стрілка гальванометра знову відхиляється, тільки в іншому напрямку — ліворуч. Після припинення руху магніту стрілка так само повертається на нульову позначку. Таким чином, електричний струм у котушці виникає тільки за умови переміщення магніту відносно котушки.

Слід зазначити, що не тільки рух магніту відносно нерухомої котушки викликає в останній електричний струм. Явище виникнення електричного струму в замкнутій котушці можна спостерігати також за умови переміщення самої котушки відносно нерухомого магніту. Замість постійного магніту в цих дослідах можна використовувати електромагніт.

Електричний струм можна отримати й в одній із двох нерухомих котушок, що надіті на спільне осердя (мал. 80). Для цього потрібно вмикати або вимикати струм в обмотці верхньої котушки (електромагніту). Це спричинить виникнення та зникнення магнітного поля, що, у свою чергу, приведе до виникнення струму в нижній котушці, про що буде свідчити відхилення стрілки гальванометра, який підключений до неї.

Мал. 79. Досліди з отримання електричного струму

Мал. 80. Досліди з отримання електричного струму

Струм у нижній котушці можна отримати й у випадку зміни сили струму у верхній. Для цього потрібно пересувати повзунок реостата. При збільшенні сили струму у верхній котушці стрілка гальванометра відхилятиметься в один бік, а при зменшенні — в інший.

У цьому випадку електричний струм в одній з котушок виникає внаслідок зміни сили струму в іншій (яка по суті є електромагнітом).

Зробимо висновки: електричний струм виникає в замкнутому провіднику (котушці) тільки тоді, коли магнітне поле, що пронизує її, змінюється.

Індукційний електричний струм. Електричний струм, отриманий у замкнутому провіднику внаслідок зміни зовнішнього магнітного поля, називають індукційним (від лат. inductio — збудження, наведення).

Ми з’ясували, за яких умов у замкнутій котушці виникає індукційний струм. Залишилося зрозуміти, що є причиною його виникнення. Річ у тім, що зміни магнітного поля завжди супроводжуються появою індукційного електричного поля. Тому не магнітне, а саме електричне поле діє на вільні заряджені частинки в котушці й примушує їх рухатись упорядковано, створюючи таким чином індукційний струм.

Які ж особливості цього індукційного електричного поля? Пригадаймо, силові лінії електричного поля починаються на позитивно зарядженому полюсі постійного джерела струму й закінчуються на негативно зарядженому. У випадку індукційного електричного поля його силові лінії є замкнутими й спрямовані вони вздовж усього замкнутого провідника. Робота з переміщення зарядів у замкнутому провіднику виконується не джерелом струму (бо його в цьому колі немає), а самим індукційним електричним полем. Необхідну для цього енергію індукційне електричне поле дістає від змінного магнітного поля, яке його породжує.

Явище електромагнітної індукції. Правило Ленца. Поява індукційного струму є наслідком явища електромагнітної індукції.

Явище електромагнітної індукції — це виникнення індукційного електричного струму в замкнутому провіднику під дією змінного магнітного поля.

Як ви вже знаєте, магнітне поле існує навколо провідника зі струмом. Отже, породжений змінним магнітним полем індукційний струм, у свою чергу, породжує власне (індуковане) магнітне поле!

Для встановлення напрямку індукційного струму можна скористатися правилом, яке в 1834 р. сформулював російський фізик Емілій Ленц.

Правило Ленца: індукційний струм у контурі завжди має такий напрямок, що створюване ним магнітне поле перешкоджає зміні того магнітного поля, яке викликало цей індукційний струм.

Правило Ленца відображає закон збереження енергії стосовно явища електромагнітної індукції. Якщо припустити, що силові лінії індукованого магнітного поля, всупереч правилу Ленца, спрямовані так, щоб сприяти змінам зовнішнього магнітного поля, то в результаті збільшився б індукційний струм, що викликало би збільшення індукованого магнітного поля, і так — до нескінченності. Зрозуміло, що таке явище суперечить закону збереження енергії.

Розглянемо застосування правила Ленца на такому прикладі. Будемо наближати магніт до витка північним полюсом (мал. 81, а). При цьому кількість ліній індукції магнітного поля, що проходять через контур витка, зростає (мал. 81, б).

Отже, за правилом Ленца, у витку має виникнути індукційний струм такого напрямку, щоб власним магнітним полем протидіяти зростанню зовнішнього магнітного потоку. Для цього потрібно виштовхнути магніт з витка. Це означає, що внутрішнє магнітне поле індукційного струму буде напрямлене проти зовнішнього поля постійного магніту. Отже, робимо висновок, що з того боку витка, який повернуто до магніту, з’являється однойменний полюс N. Далі міркуємо так. Для того щоб назустріч постійному магніту утворився полюс N індукованого магнітного поля, потрібно, щоб поступальне переміщення свердлика відбувалося зліва-направо (мал. 82), тобто його ручку треба обертати проти стрілки годинника (при погляді на виток з боку магніту). Напрямок цього обертання і вказує напрямок індукційного струму.

Мал. 81. Наближення постійного магніту до витка

Мал. 82. Визначення напрямку індукційного струму у витку за правилом Ленца

ФОРМУЄМО КОМПЕТЕНТНІСТЬ

Я поміркую й зможу пояснити

1. Хто з учених провів фундаментальні досліди з електромагнітної індукції?

2. У параграфі описано декілька дослідів з виявлення явища електромагнітної індукції. Що в них спільного? Якого висновку можна дійти з аналізу описаних дослідів?

3. Чому і який струм називають індукційним?

Я вмію досліджувати й експериментувати

1. Переконайтесь у тому, що замкнутість контуру є обов’язковою умовою для виникнення в ньому індукційного струму. Для цього скористайтеся пристроєм, зображеним на малюнку 83. Він являє собою вузьку алюмінієву пластинку з алюмінієвими кільцями на кінцях. Одне кільце суцільне, інше має розріз. Пластинка з кільцями поміщена на стійку й може вільно обертатися навколо вертикальної осі.

2. Як цим пристроєм перевірити правило Ленца?

Мал. 83. Пристрій для виявлення індукційного струму

Я можу застосовувати знання й розв'язувати задачі


Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити