Изменение магнитного поля создает эдс. Опыт Фарадея

Появление электрохимических источников тока привело к ряду важных открытий:

- открытие электрической дуги;

- открытие магнитных проявлений тока.

Ряд этих открытий завершился знаменитым опытом Фарадея (1831г).

Опыт Фарадея схематически показан на рисунке (рис. 4.9) В таком виде его нетрудно осуществить.

На трубку из плотного картона нанесены две обмотки. Первая соединяется с источником тока, например с аккумулятором. Цепь второй обмотки изолирована от первой и замкнута на магнитоэлектрический прибор.

При этом вторая обмотка находится в магнитном поле первой.

3

4

Опыт Фарадея показал, тока в цепи второй обмотки нет: стрелка гальванометра стоит на нуле. Картина, изображенная на рис. 4.9, дает, казалось бы, отрицательный ответ.

Но в момент замыкания и размыкания первой обмотки, во второй обмотке возникает ток.

И этот ток длится недолго – стрелка слегка отклонится и вновь вернется в исходное (нулевое) положение.

        

Рис. 4. 9

 

1 – первая катушка;

2 – вторая катушка;

3 – гальванометр;

4 – аккумулятор.

Другими словами: в проводах электрической цепи при изменении магнитного поля возникает (наводится) ЭДС

Магнитное поле можно изменять не только посредством изменения тока.

Мы знаем, что внесение железа усиливает поле.

Магнитное поле изменяется из-за перемещения самой катушки.

Магнитное поле изменяется из-за перемещения постоянного магнита.

Дальнейшие наблюдения позволили установить много новых фактов, которые, удалось обобщить, а также важные общие законы.

Правило Ленца

Русский академик Э. X. Ленц сформулировал в 1834 г. свое знаменитое правило, позволяющее легко определить направление ЭДС, наводимой магнитным полем: наводимая ЭДС всегда направлена так, чтобы создавать ток, противодействующий происходящим изменениям.

Пример 1. В первой обмотке ток нарастает и создает магнитное поле, направление которого показано стрелкой (рис. 4.10, а). Электро­движущая сила, наводимая во второй обмотке, создает в ней ток. Маг­нитное поле тока второй обмотки по правилу Ленца должно быть направлено навстречу нарастающему магнитному полю первой обмотки. Магнитное поле наведенного тока противодействует нарастанию поля.

Пример 2. В первой обмотке ток уменьшается, соответственно ослабевает и магнитное поле, направление которого показано стрелкой (рис. 4.10, б). Электродвижущая сила, наводимая во второй обмотке, создает в ней ток. Магнитное поле тока второй обмотки (показано стрелкой 2) по правилу Ленца должно быть направлено одинаково с магнитным полем первой обмотки. Магнитное поле наведенного то­ка поддерживает убывающее поле, другими словами, оно противодей­ствует происходящему изменению.

Пример 3. Обмотка, образующая замкнутую цепь, удаляется из магнитного поля другой первой обмотки, соединенной с источником тока. Направление магнитного поля неподвижной обмотки показано стрелкой (рис. 4.10, в)   

 

а                   б                 в

Рис. 4. 10. К закону Фарадея: а – ток нарастает;   б – ток уменьшается;   в – ток не меняется; вторая катушка отодвигается.

 

 

Магнитный поток

Для того чтобы уяснить смысл нового для нас понятия «магнитный поток», подробно разберем несколько опытов с наведением ЭДС, обращая внимание на количественную сторону производимых наблюдений.

В наших опытах будем пользоваться установкой, изображенной на рис. 4.11.

Рис. 4. 11

 

Она состоит из большой многовитковой катушки, питание катушки производится от аккумулятора через рубильник и регулировочный реостат. Внутри большой катушки устанавливается маленькая катушка, концы которой подведены к магнитоэлектрическому прибору – гальванометру.

При замыкании или размыкании рубильника в маленькой катушке наводится ЭДС, и стрелка гальванометра на короткое время отбрасывается из нулевого положения. По отклонению стрелки, можно судить о величине наведенной ЭДС.

Первое наблюдение. Вставив внутрь большой катушки маленькую, закрепим ее и пока не будем ничего изменять в их расположении.

Продолжая наблюдения, легко заключить, что отброс гальванометра, а значит, и наведенная ЭДС возрастают пропорционально росту отключаемого тока. Наводимая ЭДС пропорциональна скорости изменения магнитной индукции. Более подробные наблюдения подтверждают правильность этого вывода.

Второе наблюдение. Продолжим наблюдение за отбросом гальванометра, производя выключение одного и того же тока, скажем, 4 А. Но будем изменять число витков N маленькой катушки, оставляя неизменными ее расположение и размеры. Итак, наводимая ЭДС пропорциональна числу витков.

Еще раз подчеркиваем, что размеры маленькой катушки и ее расположение во время нашего опыта оставались неизменными.

Третье наблюдение. Величина наводимой ЭДС зависит от того, как расположена маленькая катушка.

Для наблюдения зависимости наводимой ЭДС от положения маленькой катушки несколько усовершенствуем нашу установку. Наблюдения показывают, что наибольшая ЭДС наводится тогда, когда ось маленькой катушки совпадает с направлением магнитного поля, другими словами, когда оси большой и малой катушек параллельны.

Изготовим несколько маленьких катушек разного диаметра, но с одинаковым числом витков. Будем ставить эти катушки в одно и то же положение и, выключая ток, будем наблюдать за отбросом гальванометра. Опыт покажет нам, что наводимая ЭДС пропорциональна площади поперечного сечения катушек.

Все наблюдения позволяют нам сделать вывод о том, что наводимая ЭДС всегда пропорциональна изменению магнитного потока.

Несколько замечаний о слове « поток ».

Когда мы говорим «магнитный поток», мы имеем в виду только определенную меру магнитного поля (произведение силы поля на площадь), похожую на меру, которой пользуются инженеры и ученые, изучающие движение жидкостей. При движении воды они называют ее потоком произведения скорости воды на площадь поперечно расположенной площадки (поток воды в трубе равен произведению ее скорости на площадь поперечного сечения трубы).

Конечно, само магнитное поле, представляющее собой один из видов материи, связано и с особой формой движения. У нас еще нет достаточно отчетливых представлений и знаний о характере этого движения, хотя о свойствах магнитного поля современным ученым известно многое: магнитное поле связано с существованием особой формы энергии, его основной мерой является индукция, другой очень важной мерой является магнитный поток.