Kvant. ЭМ индукция

А так ли хорошо знакома вам электромагнитная индукция? // Квант. — 1989. — № 6. — С. 40-41.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

...надежда получить электричество при помощи
обыкновенного магнетизма в разные времена
побуждала меня экспериментально изучить
индуктивное действие электрических токов.
М. Фарадей

• 
• 

Всю свою жизнь Фарадей посвятил доказательству того, что ни один происходящий в природе электрический или магнитный процесс не протекает изолированно. Глубокая вера Фарадея во взаимосвязь всех сил природы привела его после многолетних неудач к уникальному открытию.

Новый эффект, как это часто случается, обнаруживался затем во множестве внешне различных явлений, объединенных, однако одним качественным выводом: переменные магнитные поля возбуждают поля электрические. Именно на этом принципе основано действие всех существующих электрических машин. Именно открытие Фарадея предоставило возможность преобразования механической энергии в электрическую, передачи энергии иа расстояние и тем самым легло в фундамент современной технической цивилизации.

Работы Фарадея и его выдающихся современников позволили шаг за шагом создать единую картину электромагнетизма.

При изучении этого раздела физики вы не только объясните известные вам факты и наблюдения, но и сможете разобраться с электромагнитными явлениями как космических, так и микроскопических масштабов.

Вопросы и задачи

1. Как двигать магнит, чтобы повернуть стрелку северным полюсом к наблюдателю?

   

2. Горизонтальная круглая рамка находится в магнитном поле, направленном вертикально вверх. Каким будет направление индукционного тока при наблюдении рамки сверху, если поле уменьшается со временем?
3. При каких положениях рамки, вращающейся с постоянной скоростью у прямолинейного проводника с током, возникающая в ней ЭДС будет наибольшей? наименьшей?

   

4. В короткозамкнутую катушку сначала быстро, а затем медленно вдвигают магнит. Одинаковый ли заряд переносится при этом индукционным током? Одинаковое ли количество теплоты выделяется в катушке?
5. Как будет падать магнит в длинной медной трубке? Сопротивлением воздуха пренебречь.
6. Концы сложенной вдвое проволоки присоединены к гальванометру. Почему стрелка прибора остается на нуле, когда проволока пересекает линии индукции магнитного поля?
7. На вертикально расположенной катушке лежит металлическая монета. Почему она нагревается, когда по катушке течет переменный ток, и остается холодной — при постоянном?
8. По прямолинейному проводнику течет ток высокой частоты. Как изменится сопротивление этого проводника, если ему придать форму соленоида?
9. Проводник АВ движется так, что по нему идет ток от точки А к точке В. В какой из этих точек потенциал выше?

   

10. Два одинаковых самолета летят горизонтально с одинаковыми скоростями, один — вблизи экватора, другой — у полюса. У какого из них возникает большая разность потенциалов на концах крыльев?

    

11. Ротор работающего электрогенератора испытывает торможение. Какова природа сил, вызывающих это торможение?
12. Два круговых проводника расположены перпендикулярно друг к другу. Возникнет ли индукционный ток в проводнике А при изменениях тока в контуре В?

    

13. Кольцо из сверхпроводника находится вблизи постоянного магнита и пронизывается магнитным потоком Ф. Тока в кольце нет. Каким будет магнитный поток через это кольцо, если убрать магнит?

Микроопыт

Подвесьте подковообразный магнит на нитке над диском из алюминиевой фольги, способным вращаться вокруг оси, проходящей через его центр. Если раскрутить магнит, то диск начнет вращаться. В какую сторону. Почему?

Любопытно, что…

...в новейших типах электрических машин отсутствуют какие-либо механические подвижные части. В так называемом МГД (магнитогидродинамическом) - генераторе вместо проволочного проводника между полюсами магнита движется плазма, образовавшаяся при сгорании нефти или газа. Носители заряда в плазме отклоняются магнитным полем к электродам, и во внешней цепи возникает ток.

...Фарадей годами носил в жилетном кармане маленький полосной магнит и проволочную катушку как постоянное напоминание о нерешенной проблеме порождения магнитным полем электрического тока.

...вихревые индукционные токи (токи Фуко) могут, как и трение, быть не только вредными, но и полезными. Всего лишь три примера: индукционные печи для нагрева и даже плавления металлов, «магнитное успокоение» в измерительных приборах и циркулярных пилах и... всем известный счетчик электрической энергии.

...самостоятельно придя к идее электромагнитного вращения, Фарадей с помощью ртутного контакта осуществил непрерывное вращение магнита вокруг проводника с током. Этот первый электродвигатель заработал в декабре 1821 года.

...правило Ленца, определяющее направление индукционного тока, было сформулировано почти сразу после открытия Фарадея — в 1833 году. Сегодня яркое проявление этого правила можно наблюдать в школьной лаборатории, поместив сверхпроводящую керамическую таблетку над магнитом: она будет «парить» над ним.

Что читать в «Кванте» об электромагнитной индукции

1. «Электромагнитная индукция и принцип относительности» — 1987, № 11;
2. «Пути электромагнитной теории» — 1988, № 2;
3. «Правило Ленца» — 1988, № 5;
4. «Сверхпроводимость: история, современные представления, последние успехи» — 1988, № 6;
5. «Сила Лоренца и эффект Холла» — 1989, № 3.

Ответы

1. Вдвинуть в катушку.
2. Против часовой стрелки.
3. ЭДС индукции будет иметь наименьшее значение, когда рамка оказывается в плоскости, проходящей через провод, наибольшее — когда рамка перпендикулярна к этой плоскости.
4. Нет, так как поток магнитной индукции контура В не пронизывает контур А.
5. Одинаковый. Нет, поскольку количество теплоты пропорционально скорости движения магнита.
6. При движении магнита в трубке возникает ЭДС индукции, которая порождает магнитное поле, препятствующее свободному падению магнита.
7. Наряду с обычным трением тормозят ротор и амперовы силы, действующие на него со стороны магнитного поля статора.
8. У самолета, летящего вблизи полюса.
9. В двух половинах проволоки возникают равные по величине, но противоположные по знаку ЭДС индукции, которые взаимно компенсируются.
10. В точке В, так как на участке ВСА, где отсутствуют источники ЭДС, ток идет от В к А.
11. При переменном токе в монете возникают вихревые токи, при постоянном — нет.
12. Увеличится.
13. Поскольку сопротивление кольца равно нулю, то и суммарная ЭДС в нем всегда должна быть равна нулю. Это может быть только в том случае, если изменение полного магнитного потока через кольцо равно нулю. Следовательно, при удалении магнита созданный индукционным током магнитный поток сохранится равным Ф.

Микроопыт

Переменное магнитное поле вращающегося магнита возбуждает в диске индукционные вихревые токи, направленные так, что создаваемое ими магнитное Поле тормозит движение магнита. По третьему закону Ньютона равная и противоположно направленная сила действует на диск и увлекает его вслед за магнитом.