Темы докладов, страница 367 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

Опыты Фарадея по электромагнитной индукции.

Майкл Фарадей, выдающийся английский физик, в 1831 году сделал одно из величайших открытий в истории науки – явление электромагнитной индукции. После открытия Гансом Кристианом Эрстедом в 1820 году того факта, что электрический ток создает вокруг себя магнитное поле, Фарадей предположил существование обратного эффекта: не может ли магнитное поле, в свою очередь, создавать электрический ток? В течение почти десяти лет он проводил многочисленные эксперименты, чтобы подтвердить свою гипотезу. Ключевые опыты Фарадея можно разделить на несколько групп.

Опыт 1: Взаимодействие катушки и постоянного магнита

В этом классическом опыте Фарадей использовал катушку из медной проволоки, концы которой были подключены к гальванометру – прибору для обнаружения слабого электрического тока.

Наблюдение 1: Когда Фарадей вдвигал постоянный стержневой магнит в катушку, стрелка гальванометра отклонялась, что указывало на возникновение в катушке электрического тока. Этот ток получил название индукционного.

Наблюдение 2: Если магнит оставался неподвижным внутри катушки, стрелка гальванометра возвращалась к нулевой отметке. Ток исчезал.

Наблюдение 3: Когда Фарадей выдвигал магнит из катушки, стрелка гальванометра снова отклонялась, но уже в противоположную сторону. Это означало, что ток возник вновь, но его направление изменилось на противоположное.

Фарадей также обнаружил, что если двигать катушку относительно неподвижного магнита, результат будет тем же самым. Из этого следовал важный вывод: индукционный ток возникает только при относительном движении магнита и катушки. Скорость этого движения также имела значение: чем быстрее двигался магнит, тем больше была величина индукционного тока.

Опыт 2: Взаимодействие двух катушек

Чтобы доказать, что возникновение тока не связано исключительно со свойствами постоянных магнитов, Фарадей провел другой гениальный эксперимент. Он использовал две катушки, расположенные близко друг к другу (например, надетые на одно железное кольцо).

- Первичная катушка была подключена к источнику тока (батарее) через выключатель.
- Вторичная катушка, как и в первом опыте, была соединена с гальванометром.

Наблюдение 1: В момент замыкания цепи первичной катушки (когда по ней начинал течь ток), гальванометр во вторичной катушке регистрировал кратковременный всплеск тока.

Наблюдение 2: После того как ток в первичной катушке становился постоянным, ток во вторичной катушке исчезал, и стрелка гальванометра возвращалась на ноль.

Наблюдение 3: В момент размыкания цепи первичной катушки (когда ток в ней прекращался), гальванометр вновь фиксировал кратковременный ток, но направленный в противоположную сторону по сравнению с током при замыкании.

Этот опыт показал, что индукционный ток во вторичной катушке возникает не из-за самого по себе магнитного поля, создаваемого первичной катушкой, а только в моменты его изменения – при его появлении (замыкание цепи) и исчезновении (размыкание цепи).

Выводы из опытов и формулировка закона

Проанализировав результаты этих и других экспериментов, Фарадей пришел к фундаментальному выводу. Причиной возникновения индукционного тока в замкнутом проводящем контуре является не само магнитное поле, а изменение магнитного потока, пронизывающего поверхность, ограниченную этим контуром.

Магнитный поток ($ \Phi_B $) – это физическая величина, характеризующая количество линий магнитной индукции, проходящих через некоторую поверхность.

Изменение магнитного потока может быть вызвано:
1. Изменением величины магнитной индукции $\text{B}$ (как в опыте с двумя катушками, где менялся ток и, следовательно, создаваемое им поле).
2. Изменением площади контура $\text{A}$, пронизываемого полем.
3. Изменением ориентации контура относительно линий магнитной индукции, то есть изменением угла между вектором магнитной индукции и нормалью к плоскости контура (как в опыте с движущимся магнитом).

Эти наблюдения легли в основу закона электромагнитной индукции, который количественно описывает это явление. Электродвижущая сила (ЭДС) индукции $ \mathcal{E}_{i} $, возникающая в контуре, прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока $ \Delta\Phi_B $ через поверхность, ограниченную этим контуром, и взята со знаком минус:
$ \mathcal{E}_{i} = - \frac{\Delta\Phi_B}{\Delta t} $
Для катушки, содержащей $\text{N}$ витков, формула принимает вид:
$ \mathcal{E}_{i} = -N \frac{\Delta\Phi_B}{\Delta t} $
Знак минус в формуле отражает правило Ленца, согласно которому индукционный ток всегда имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле противодействует изменению магнитного потока, вызвавшего этот ток.

Ответ:

Опыты Майкла Фарадея, проведенные в 1831 году, экспериментально доказали, что переменное магнитное поле порождает электрический ток. Ключевые эксперименты включали:
1. Движение постоянного магнита относительно катушки (и наоборот), что приводило к возникновению тока только во время движения.
2. Использование двух катушек, где изменение тока (включение или выключение) в одной катушке вызывало кратковременное появление тока в другой.
Основной вывод из этих опытов заключается в том, что электродвижущая сила (и, как следствие, индукционный ток) в замкнутом проводящем контуре возникает тогда и только тогда, когда изменяется магнитный поток, пронизывающий этот контур. Это явление было названо электромагнитной индукцией и легло в основу работы всех современных электрогенераторов, трансформаторов и многих других электротехнических устройств.