Вивчення нового матеріалу

1. Історія.

З моменту відкриття Ерстедом впливу електричного струму на магнітну стрілку дослідників заполонила думка: а чи не можна розв’язати і обернену задачу: перетворити магнетизм в електрику? У Франції над цією задачею ламали собі голову Ампер і Араго. В Швейцарії - професор механіки Женевської академії Жан Даніель Колладон. В Америці - молодий фізик Джозеф Генрі, відомий як людина, що створила один із найпотужніших електромагнітів у світі. В Англії над цією ж проблемою бився Фарадей.

З’ясувати сьогодні, хто першим побачив ефект створення струму в провіднику магнітним полем, досить важко. Розповідають, що швейцарський професор Колладон, намотавши дві обмотки на один каркас і ввімкнувши у другу у другу гальванометр, помітив, що стрілка приладу здригається при замиканні первинної котушки на електричну батарею. «Можливо, щось трусить прилад?» - подумав Колладон і... відніс гальванометр в іншу кімнату. Тепер, замкнувши рубильник, він вимушений був ходити із однієї кімнати в іншу. І коли приходив до приладу, то стрілка приладу мертво стояла на нулю.

Деякі історики науки стверджують, що Джозеф Генрі першим побачив, що при русі магніту біля провідника в ньому з’являється електричний струм. Він навіть збирався написати статтю про це. Але втратив час. В Америку прийшов журнал зі статтею Фарадея.

Майкл Фарадей був дуже акуратним. Всі свої досліди він детально записував в щоденник, малював схему і робив висновки, які вдавалося зробити. Записавши ще в 1822 році: «Перетворити магнетизм в електрику», Майкл не один раз повертався до цієї думки, придумуючи то один дослід, то інший. Знаючи, що цією проблемою цікавляться і інші експериментатори, він в 1831 році взявся за неї безпосередньо і працював як одержимий.

Ранком 29 серпня 1831 року він, як і раніше, включивши батарею в одну котушку, зафіксував поштовх, якого зазнавала стрілка гальванометра, що був включений у іншу котушку. Поштовх - і стрілка на нулю. При вимкненні теж саме, лише стрілка відхиляється в іншу сторону. В чому ж тут справа?

Тоді він вирішив змінити умови досліду. При наявності залізного стержня поштовхи стрілки стали набагато сильнішими. Фарадей знову і знову змінює умови експериментів і робить висновок: «Електрична хвиля виникає лише при русі магніту, а не через його властивості, які він має в спокої» .

Це був розв’язок! Розв’язок задачі, яку сформулював майже десять років тому.

2. Досліди Фарадея.

Якщо котушка і магніт нерухомі, то струму в котушці немає. Під час руху магніту стрілка гальванометра відхиляється, що свідчить про наявність електричного струму. Причому, якщо під час руху магніту в одному напрямі стрілка гальванометра відхиляється, наприклад, вправо, то під час руху в зворотному напрямі стрілка відхилятиметься вліво, що свідчить про зміну напряму струму в котушці. Явище виникнення електричного струму в замкненій котушці можна спостерігати також, якщо рухати саму котушку відносно нерухомого магніту або змінювати силу струму в іншій котушці, яка разом з досліджуваною надіта на спільне осердя.

На підставі проведених дослідів, можна зробити висновок, що електричний струм у замкненій котушці виникає тільки тоді, коли магнітне поле, що пронизує її, змінюється.

1. v То за яких умов виникає електричний струм? (Електричний струм виникає тільки в ті моменти, коли магніт перебуває в русі щодо котушки.)

2. v Що ж є дійсною причиною виникнення електричного струму в провіднику, який ми будемо називати індукційним? (Індукційний струм виникає в котушці (в замкнутому провідному контурі) при зміні магнітного потоку, що пронизує контур)

Індукційний струм – це струм, отриманий у замкненому провіднику внаслідок зміни зовнішнього магнітного поля.

Струм виникає лише під час відносного руху магніту і провідника!

3. Причини виникнення індукційного струму

v Що є причиною виникнення індукційного струму?

1. Провідний контур рухається в магнітному полі. Якщо провідний контур перетинає силові лінії магнітного поля, то в контурі виникає індукційний струм. При цьому вільні заряди в контурі рухаються під дією сили з боку магнітного поля.

2. Нерухомий провідний контур розташований у змінному магнітному

полі. Виникнення індукційного струму в нерухомому провіднику не можна пояснити дією магнітного поля на вільні заряди, адже на нерухомі частки магнітне поле не діє. Значить, виникнення індукційного струму в нерухомому провіднику можна пояснити тільки тим, що на вільні заряди діє сила з боку електричного поля.

Отже, змінне магнітне поле породжує електричне поле. Саме електричне, а не магнітне поле діє на вільні заряджені частки в провіднику і створює, таким чином, індукційний струм.

4. Напрямок індукційного струму

Якщо змінювати магнітне поле, що пронизує котушку, то в котушці виникає індукційний струм. Унаслідок цього котушка сама стає магнітом.

Досліди свідчать:

1) якщо магніт наближати до котушки, то котушка буде відштовхуватися

від магніту;

2) якщо магніт віддаляти від котушки, то котушка притягуватиметься до

магніту.

Це означає:

1) якщо кількість ліній магнітної індукції, що пронизують котушку,

збільшується, то в ній виникає індукційний струм такого напрямку, що

котушка буде обернена до магніту однойменним полюсом.

2) якщо кількість ліній магнітної індукції, що пронизують котушку,

зменшується, то в котушці виникає індукційний струм такого

напрямку, що котушка буде обернена до магніту різнойменним

полюсом.

Знаючи полюси котушки та скориставшись правою рукою, можна визначити напрямок індукційного струму.

5. Явище електромагнітної індукції.

Явище електромагнітної індукції – це виникнення електричного струму в провідному контурі, який або розміщено нерухомо в змінному магнітному полі, або переміщається в постійному полі так, що кількість ліній магнітної індукції, які перетинають контур, змінюється.

Напрям індукційного струму визначають за правилом правої руки: якщо праву руку розмістити в полі так, щоб лінії магнітної індукції входили в долоню, відставлений великий палець відповідав би напряму руху провідника, то витягнуті пальці руки вказуватимуть напрям індукційного струму в провіднику.

Розрахунок електрорушійної сили.

Для випадку, коли провідник рівномірно рухається в однорідному магнітному полі, значення ЕРС індукції залежить від магнітної індукції поля, довжини прямого провідника та швидкості його руху в магнітному полі.

ε =𝑩𝒍𝒗𝒔𝒊𝒏𝜶

6. Потік магнітної індукції

Індукційний струм у замкненому провідному контурі виникає тоді, коли змінюється кількість ліній магнітної індукції, що пронизують поверхню, обмежену контуром.

Кількість ліній магнітної індукції, що пронизують певну поверхню, характеризує фізична величина, яку називають потік магнітної індукції або магнітний потік.

Потік магнітної індукції (магнітний потік) – це фізична величина, яка характеризує розподіл магнітного поля по поверхні, обмеженій замкненим контуром, і чисельно дорівнює добуткові магнітної індукції на площу поверхні та на косинус кута між вектором магнітної індукції і нормаллю до поверхні.

Ф = ВScos𝜶

де

Ф - магнітний потік;

В - модуль магнітної індукції поля;

α - кут між нормаллю до площини контуру і індукцією магнітного поля.

Одиниця магнітного потоку в СІ – вебер (названа на честь німецького фізика Вільгельма Едуарда Вебера (1804-1891)):

1 вебер – це максимальний магнітний потік, який створюється магнітним полем індукцією 1 тесла через поверхню площею 1 метр квадратний.

Зверніть увагу!

• Магнітний потік буде максимальним, якщо поверхня перпендикулярна до ліній магнітної індукції, і дорівнюватиме нулю, якщо поверхня паралельна цим лініям.

• Якщо магнітне поле неоднорідне і (або) поверхня не є плоскою, можна знайти магнітні потоки через невеликі ділянки поверхні та їх алгебраїчним додаванням визначити загальний магнітний потік.

– це фізична величина, яка характеризує розподіл магнітного поля по поверхні, обмеженій замкненим контуром, і чисельно дорівнює добуткові магнітної індукції на площу поверхні та на косинус кута