§ 59. Явление электромагнитной индукции

физическое явление возникновения электрического тока в замкнутом проводящем контуре при всяком изменении магнитного потока, пронизывающего этот контур:

• 1. История открытия — эпохальное открытие совершено великим английским ученым Майклом Фарадеем 29 августа 1831 года в лаборатории Королевского института в Лондоне.
• 2. Главное физическое условие — индукционный ток порождается не просто наличием сильного магнитного поля, а исключительно динамическим изменением магнитного потока во времени ($\Delta\Phi \neq 0$).
• 3. Длительность существования — индукционный ток протекает в проводнике только и исключительно в течение всего времени, пока непрерывно длится процесс изменения магнитного потока.

электрический ток, возникающий в проводящем контуре под действием изменяющегося магнитного поля:

• 1. Микроскопическая природа — упорядоченное согласованное движение свободных электронов в кристаллической решетке проводника (по своей природе идентичен току, создаваемому химическими источниками питания).
• 2. Зависимость направления — направление индукционного тока сменяется на противоположное при изменении направления движения магнита (вдвигание или выдвигание), а также при смене полюса приближаемого магнита.
• 3. Метод регистрации — регистрируется чувствительным демонстрационным гальванометром, стрелка которого отклоняется вправо или влево от нулевой отметки в зависимости от направления тока.

фундаментальная серия экспериментов по возбуждению электрического тока магнитным полем:

• 1. Опыт с постоянным магнитом и катушкой (рис. 164) — при быстром вдвигании или выдвигании полосового магнита в замкнутую катушку в ней наводится ток; при остановке магнита стрелка гальванометра мгновенно возвращается на нуль; для эффекта важно лишь относительное движение магнита и катушки.
• 2. Опыт с парой катушек (рис. 165) — катушка $A$, подключенная к источнику питания, помещается внутрь катушки $C$, замкнутой на гальванометр; индукционный ток возбуждается при замыкании/размыкании ключа, при перемещении ползунка реостата и при относительном перемещении катушек.
• 3. Опыт с вращением рамки в магнитном поле (рис. 166) — непрерывное вращение плоского контура между полюсами магнита (или вращение магнита внутри замкнутой рамки) порождает непрерывный переменный ток.

электрическая машина, преобразующая механическую энергию вращения вала в электрическую энергию переменного тока на основе явления электромагнитной индукции:

• 1. Промышленное значение — служит технологическим фундаментом всей мировой энергетики (турбогенераторы ТЭС и АЭС, мощные гидрогенераторы ГЭС, ветроэлектростанции).
• 2. Вклад отечественной научной школы — в теоретическое обоснование и практическое воплощение индукционных генераторов переменного тока выдающийся вклад внесли Э. Х. Ленц, Б. С. Якоби и создатель трёхфазной электротехнической системы М. О. Доливо-Добровольский.

Выдающийся английский физик-экспериментатор и химик, член Лондонского королевского общества, основоположник учения об электромагнитном поле, открывший фундаментальное явление электромагнитной индукции.

• В 1822 году поставил перед собой фундаментальную научную цель «превратить магнетизм в электричество» и в 1831 году после почти десятилетия упорных исследований открыл явление электромагнитной индукции.
• Экспериментально доказал, что индукционный ток в проводнике возникает исключительно при изменении пронизывающего контур магнитного потока во времени, продемонстрировав это в опытах с катушками и постоянным магнитом.
• Открытие электромагнитной индукции легло в основу создания генераторов электрического тока, трансформаторов и электродвигателей, определив бурное развитие мировой электротехники.

1. Цель опытов: Экспериментально доказать возможность возбуждения электрического тока с помощью магнитного поля (решить историческую задачу Фарадея «превратить магнетизм в электричество») и установить точные физические условия его возникновения.

2. Как проводились опыты:

• Опыт на рисунке 164: Полосовой постоянный магнит вдвигают в полую катушку, подключенную к чувствительному гальванометру. Стрелка гальванометра отклоняется, фиксируя электрический ток. Когда магнит останавливается, стрелка возвращается на нуль. При извлечении магнита из катушки стрелка отклоняется в другую сторону, свидетельствуя о смене направления тока. Точно такой же эффект возникает, если магнит неподвижен, а надевают и снимают саму катушку.
• Опыт на рисунке 165: Катушку $A$, подключенную через ключ и реостат к источнику тока, вставляют внутрь катушки $C$, соединенной с гальванометром. Индукционный ток в катушке $C$ возникает в моменты замыкания и размыкания ключа цепи $A$, при перемещении ползунка реостата, а также при механическом сближении и удалении катушек.
• Опыт на рисунке 166: Плоскую проводящую рамку, выводы которой соединены с гальванометром, помещают между полюсами магнита и вращают вокруг оси. Стрелка прибора колеблется вправо и влево, регистрируя переменный индукционный ток. Аналогично ток возникает, если рамка покоится, а вращается постоянный магнит внутри неё.

Индукционный ток в катушке возникал только при изменении магнитного потока, пронизывающего её витки, и только в течение самого процесса этого изменения.

В статичном неизменном состоянии — когда постоянный магнит покоится внутри катушки или когда по первичной катушке течёт неизменный по величине постоянный ток — магнитный поток остаётся постоянным, и индукционный ток равен нулю. Необходимым условием служит наличие относительного движения магнита и проводника либо изменение величины магнитного поля во времени.

Явление электромагнитной индукции заключается в возникновении электрического тока в замкнутом проводящем контуре при всяком изменении магнитного потока, пронизывающего площадь, ограниченную этим контуром. Возникающий ток называется индукционным и существует в контуре ровно столько времени, сколько длится изменение магнитного потока.

Открытие явления электромагнитной индукции принадлежит к числу самых замечательных научных достижений первой половины XIX века и определило ход развития современной цивилизации:

• Научный триумф: Фарадей экспериментально доказал материальное единство и неразрывную диалектическую связь электрических и магнитных явлений, что легло в основу классической электродинамики.
• Создание электроэнергетики: На базе явления электромагнитной индукции работают все промышленные генераторы электрических станций (ГЭС, ГАЭС, ТЭС, ТЭЦ, АЭС и ветропарков), преобразующие механическую энергию турбин в гигантские потоки электричества.
• Широчайшее технологическое применение: Без электромагнитной индукции была бы невозможна работа трансформаторов, индукционных электродвигателей, микрофонов, звукоснимателей, радиоприемников, систем бесконтактной зарядки и индукционных плавильных печей.

Магнитный поток менялся за счёт следующих причин:

• В опытах на рисунке 164 (движение магнита и катушки): Поле полосового магнита неоднородно (вблизи полюсов индукция $B$ максимальна, по мере удаления быстро убывает). При приближении или удалении магнита катушка оказывается в области с большей или меньшей плотностью силовых линий, то есть меняется величина магнитной индукции $B$, пронизывающей поперечное сечение катушки.
• В опытах на рисунке 165 (катушки $A$ и $C$): При замыкании/размыкании цепи и при регулировке тока реостатом сила тока в витках катушки $A$ возрастает или спадает, что вызывает быстрое нарастание или ослабление индукции $B$ создаваемого ею магнитного поля во времени. При относительном движении катушек меняется пространственная густота силовых линий, пронизывающих наружную катушку $C$.
• В опытах на рисунке 166 (вращение рамки в магнитном поле): Площадь рамки $S$ и индукция поля магнита $B$ остаются неизменными, однако непрерывно изменяется ориентация плоскости рамки по отношению к линиям магнитной индукции: от перпендикулярного положения (где поток максимален) до параллельного (где поток спадает до нуля).