§ 59. Явление электромагнитной индукции

ПРЕДЫСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ: «ПРЕВРАТИТЬ МАГНЕТИЗМ В ЭЛЕКТРИЧЕСТВО»

В 1820 году датский физик Ханс Кристиан Эрстед доказал, что электрический ток порождает магнитное поле. Это открытие потрясло научный мир: раз электричество способно создавать магнетизм, то в природе обязательно должно существовать и обратное явление — возможность с помощью магнитного поля получить электрический ток!

В 1822 году выдающийся английский физик Майкл Фарадей (1791–1867) сделал лаконичную, но судьбоносную запись в своём рабочем дневнике: «Превратить магнетизм в электричество». Почти десять лет упорного ежедневного труда и сотен неудачных опытов потребовалось учёному, чтобы разгадать эту величайшую тайну природы. Лишь 29 августа 1831 года Фарадей совершил эпохальное открытие, навсегда изменившее облик человеческой цивилизации.

Любопытный исторический факт: Почти одновременно с Фарадеем решить эту задачу пытался швейцарский физик Жан-Даниэль Колладон. Чтобы стрелка чувствительного гальванометра не дрожала от близости тяжёлого магнита, Колладон установил прибор в соседней комнате. Вставив магнит в катушку, он не спеша шёл в соседнюю комнату и с разочарованием видел, что стрелка стоит на нуле! Колладон не понимал, что ток существовал лишь в краткие доли секунды, пока магнит двигался, и успевал исчезнуть к его приходу.

ДЕМОНСТРАЦИОННЫЕ ОПЫТЫ ФАРАДЕЯ

Чтобы выяснить, при каких именно условиях магнитное поле рождает электрический ток, проведём серию классических физических опытов:

#### 1. Опыт с полосовым магнитом и катушкой (рис. 164)

• Возьмём катушку из медного провода и замкнём её на чувствительный гальванометр — прибор, способный улавливать даже микроскопические токи. В цепи нет никаких батареек или аккумуляторов.
• Быстро вдвинем полосовой магнит внутрь катушки (рис. 164, а). В тот же миг стрелка гальванометра резко отклонится в сторону (например, вправо), фиксируя появление тока в катушке.
• Остановим магнит внутри катушки. Как только движение прекращается, стрелка немедленно возвращается на нулевую отметку — в неподвижном магните тока нет!
• Начнём выдвигать магнит из катушки (рис. 164, б). Стрелка прибора вновь отклонится, но теперь в противоположную сторону (влево).
• Если оставить магнит неподвижным, а двигать саму катушку (надевать её на магнит или снимать с него), результат окажется абсолютно таким же.

Электрический ток, возникающий в замкнутом проводнике при изменении пронизывающего его магнитного поля, называют индукционным током (от латинского inductio — наведение, возбуждение). Индукционный ток представляет собой такое же упорядоченное движение свободных электронов, как и ток от обычного химического источника.

#### 2. Опыт с двумя катушками и электромагнитом (рис. 165)

Поскольку магнитное поле постоянного магнита и катушки с током имеют абсолютно одинаковую природу, заменим полосовой магнит катушкой A, включённой в цепь источника тока через ключ и реостат. Поместим катушку A внутрь катушки C, соединённой с гальванометром:

• При замыкании ключа в цепи катушки A в катушке C проскакивает кратковременный индукционный ток.
• При размыкании ключа стрелка гальванометра отклоняется в другую сторону.
• При перемещении ползунка реостата (когда ток в катушке A непрерывно растёт или убывает) в катушке C также течёт индукционный ток.
• При вдвигании или выдвигании катушки A в катушку C при постоянном токе гальванометр вновь фиксирует ток.

Главный вывод опытов: Для возникновения индукционного тока недостаточно просто иметь сильное магнитное поле. Ток рождается исключительно тогда, когда магнитное поле изменяется во времени!

#### 3. Вращение проводящего контура в магнитном поле (рис. 166)

Поместим плоский замкнутый виток провода между полюсами дугообразного магнита и соединим его с гальванометром. Будем вращать контур в пространстве между полюсами (рис. 166, а) либо вращать сам магнит вокруг неподвижного контура (рис. 166, б). Гальванометр снова покажет наличие тока. При вращении рамки меняется угол между плоскостью витка и линиями магнитной индукции, а значит, непрерывно меняется число линий, пронизывающих площадь витка.

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЙ ЗАКОН ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ

Обобщая результаты всех проведённых экспериментов через введённое ранее понятие магнитного потока $\Phi$, мы приходим к строгому физическому закону:

При всяком изменении магнитного потока, пронизывающего площадь, ограниченную замкнутым проводником, в этом проводнике возникает электрический ток, существующий в течение всего процесса изменения магнитного потока. В этом заключается явление электромагнитной индукции.

Не имеет значения, каким именно путём достигается изменение магнитного потока:

• перемещением постоянного магнита относительно катушки;
• включением, выключением или регулировкой тока в соседней цепи;
• вращением витка в магнитном поле или его механической деформацией.

Если магнитный поток сквозь контур остаётся постоянным во времени ($\Delta\Phi = 0$), индукционный ток равен нулю, каким бы огромным ни было само магнитное поле. Как только поток начинает меняться ($\Delta\Phi \neq 0$), в контуре немедленно возникает индукционный ток, сила которого прямо пропорциональна скорости изменения потока.

ЗНАЧЕНИЕ ОТКРЫТИЯ ДЛЯ ЧЕЛОВЕЧЕСТВА

Открытие явления электромагнитной индукции входит в число самых выдающихся научных достижений за всю историю цивилизации. Именно оно вызвало к жизни бурное развитие электротехники, радиотехники и современной индустрии:

• Создание генераторов тока: На основе электромагнитной индукции работают индукционные генераторы на всех электростанциях планеты — тепловых (ТЭС), гидравлических (ГЭС) и атомных (АЭС), вырабатывающих более 99% всей электроэнергии Земли.
• Вклад отечественных учёных: Огромную роль в разработке практических генераторов сыграли российские физики и инженеры:
  • Эмилий Христианович Ленц (1804–1865) установил фундаментальный закон для направления индукционного тока;
  • Борис Семёнович Якоби (1801–1874) создал первые образцы электромашин;
  • Михаил Осипович Доливо-Добровольский (1862–1919) изобрёл трёхфазную систему передачи электроэнергии, трёхфазные генераторы и асинхронные двигатели, ставшие мировым стандартом энергетики.