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 дослідівпе ред тим, як одержав електричний струм у провіднику за допомогою магнітного поля постійного магніту.

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.

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.

Електромагнітна індукція

Явище породження в просторі електричного поля змінним магнітним полем називають явищем електромагнітної індукції. Отже, поява індукційного струму є наслідком явища електромагнітної індукції.

Знайомимося з промисловими джерелами електричної енергії.

Явище електромагнітної індукції використовують у механічних джерелах електричного струму — генераторах електричної енергії, без яких неможливо уявити сучасну електроенергетику. У таких генераторах механічна енергія перетворюється на електричну.

Щоб зрозуміти принцип дії генератора, звернемося до досліду. Візьмемо рамку, що складається з кількох витків дроту, і обертатиме її в магнітному полі постійного магніту .

У рамці виникне електричний струм, наявність якого доводить світіння лампи.

З'ясуємо причину виникнення струму. Під час обертання рамки кількість магнітних ліній, що її пронизують, то збільшується, то зменшується. Отже, магнітне поле, що пронизує рамку, постійно змінюється. Тому в рамці виникає індукційний струм (згадайте явище електромагнітної індукції).

Сучасні генератори електричного струму мають практично таку саму будову, що й електродвигуни . Але за принципом дії генератор — це електричний двигун «навпаки». Генератор, як і електродвигун, складається зі статора і ротора. Масивний нерухомий статор являє собою порожнистий циліндр, на внутрішній поверхні якого розміщений товстий мідний ізольований дріт — обмотка статора. Усередині статора обертається ротор. Він, як і ротор електродвигуна, являє собою великий циліндр, у пази якого вкладено обмотку. До обмотки ротора через колектор подається напруга від джерела постійного струму — збуджувача. Струм тече по обмотці ротора, створючи навколо нього магнітне поле. Під дією пари (на теплових і атомних електростанціях) або води, що падає з висоти (на гідроелектростанціях), ротор генератора починає швидко обертатися. Унаслідок цього магнітне поле, що пронизує обмотку статора, змінюється, і завдяки електромагнітній індукції в обмотці виникає електричний струм. Зазнавши низку перетворень, цей струм подається до споживача електричної енергії.

Підбиваємо підсумки

У замкненому провідному контурі в разі зміни магнітного поля, яке пронизує цей контур, виникає електричний струм. Такий струм називають індукційним.

Причина виникнення індукційного струму полягає в тому, що змінне магнітне поле завжди супроводжується виникненням у навколишньому просторі електричного поля. Електричне поле діє на вільні заряджені частинки в провіднику й надає їм напрямленого руху — виникає індукційний струм.

Явище породження в просторі електричного поля змінним магнітним полем називають явищем електромагнітної індукції.

Явище електромагнітної індукції використовують у механічних джерелах електричного струму — генераторах електричної енергії (пристроях, в яких механічна енергія перетворюється на електричну)

Тест самоконтролю

Відео до заняття 1

Завдання до заняття 1

Я поміркую й зможу пояснити

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

2. У змісті заняття 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?

4. В чому полягає суть явища електромагнітної індукції?

Я вмію досліджувати й експериментувати

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.

Я можу застосовувати знання й розв'язувати задачі

1. На малюнку зображено дві котушки різного діаметру, джерело струму, вимикач і гальванометр. Котушка з меншим діаметром під’єднана через вимикач до джерела струму й поміщена в котушку з більшим діаметром, яка під’єднана до гальванометра. Опишіть процеси, що будуть відбуватись у разі замикання вимикача.

2. Поясніть, як поводитиме себе стрілка гальванометра в разі опускання постійного магніту в котушку та піднімання його з котушки. Про що це свідчить?

3. До котушки підносять магніт. Як поводитиме себе котушка? Чому? Чи залежить відповідь від того, яким полюсом магніт наближають до котушки? Що спостерігатиметься, якщо магніт віддаляти від котушки?

4. Між полюсами електромагніту починає рухатись металева пластинка, закріплена на ізольованому стержні (маятник). Порівняйте тривалість коливань такого маятника до повної зупинки в разі, коли електромагніт підключено до джерела струму, і тоді, коли він не підключений.

джерело