16. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ

Ток создаёт магнит — это ты уже знаешь. А теперь сюрприз: магнит может создавать ток! Это открытие Майкла Фарадея, и оно подарило человечеству электричество как мы его знаем: все электростанции мира работают на этом эффекте.

Магнитный поток

Перед индукцией нужно вспомнить поток: Φ = B·S·cos α. Это не абстракция — это количество «магнитных линий» через контур.

Φ = B·S·cos α
Магнитный поток

Опыт Фарадея

Двинув магнит внутрь катушки, он увидел: гальванометр прыгнул! Вынул — прыгнул в другую сторону. Магнит покоится внутри — тока нет. Вывод: ток возникает, когда меняется магнитный поток через контур.

Схема на пальцах

Хочешь тока — заставь поток меняться. Тремя способами: двигай магнит, двигай катушку, меняй поле. Либо меняй площадь либо поворачивай контур. Любое изменение потока = ток.

ЭДС индукции

ε = −ΔΦ / Δt
ЭДС индукции (для одного витка)

Чем быстрее меняется поток, тем больше ЭДС индукции. Катушка с N витками даёт в N раз больше: ε = −N·ΔΦ/Δt.

Правило Ленца: минус не для красоты

Индукционный ток всегда течёт так, чтобы давать отпор изменению, которое его создало. Вносишь магнит северным полюсом — ток создаёт своё поле, которое выталкивает магнит. Выносишь — ток помогает магниту остаться.

Почему это важно

Минус в формуле — это не формальность, а физический закон сохранения энергии. Если бы ток помогал действию, можно было бы создать энергию из ничего. Ленц сказал: нет, давай честно.

Способы получить ЭДС индукции

ЭДС в движущемся проводнике

Простой и наглядный случай: проводник длиной l движется со скоростью v перпендикулярно полю B:

ε = B·l·v
ЭДС в движущемся проводнике

Именно это происходит с океанами и земной корой, когда они движутся в поле Земли. Инженеры используют это наоборот — магнит вблизи рельсов даёт торможение поездов (магнитное торможение).

Самоиндукция

Катушка, в которой сам меняется ток, сама себе создаёт поле, меняет собственный поток — и даёт себе ЭДС. Это называется самоиндукция. Отношение потока к току — индуктивность L:

ε = −L·ΔI / Δt
ЭДС самоиндукции

Индуктивность катушки — «инертность» для тока. Разомкнул цепь с катушкой — ток не хочет останавливаться и даёт всплеск напряжения. Именно поэтому при выключении приборов иногда стреляют искры.

Трансформатор

Две катушки на общем сердечнике: переменный ток в одной создаёт переменное поле, которое наводит ток в другой. Меняя число витков, теряешь или приобретаешь напряжение:

U₁/U₂ = N₁/N₂
Уравнение трансформатора

Подняли напряжение в 10 раз — ток в 10 раз меньше при той же мощности. Меньше ток — меньше потери в проводах. Для этого передают электричество по линиям 500 кВ.

Генератор переменного тока

Рамка вращается в поле — поток меняется по синусоиде, ЭДС меняется по синусоиде. Так рождается переменный ток 50 Гц у тебя в розетке. Постоянный ток из неё получают выпрямители — это уже задачи электроники.

← Назад: Магнитное поле Дальше: Переменный ток и колебания →