Основной закон электромагнитной индукции

Основной закон электромагнитной индукции гласит, что индукционный ток возникает в проводящем контуре при всяком изменении магнитного потока, пронизывающего поверхность, охваченную этим контуром. Однако, производя совершенно одинаковое изменение магнитного потока в различных контурах, отличающихся только материалом, из которого сделаны эти контуры, мы обнаружим, что в них индуцируются токи различной силы.

Изготовим, например, две катушки, совершенно одинаковые по размерам, форме и числу витков: одну из медной проволоки, а другую из нихромовой проволоки того же сечения и длины, и поместим их в одно и то же магнитное поле, например внутрь длин­ного соленоида, одинаково ориентировав катушки по отношению к направлению поля. Выключая магнитное поле, мы обнаружим в обеих катушках индукционные токи, но сила тока в медной катушке будет в 70 раз, больше, чем в нихромовой.

Проводя разнообразные опыты подобного рода, мы убедимся, что индукционный ток тем больше, чем меньше электрическое сопротивление катушки, если все остальные условия опыта вполне одинаковы.

Это обстоятельство приводит к мысли, что при неизмен­ных условиях опыта в катушке индуцируется определенная электродвижущая сила (ЭДС), а сила тока, возника­ющего благодаря этому, опре­деляется законом Ома и поэтому оказывается обратно пропорциональной электри­ческому сопротивлению цепи.

Рис. 11.12

Действительно, нетрудно осуществить простой опыт, показывающий, что для индукционных токов закон Ома сохраняет значение. Присоединим концы катушки, в кото­рой индуцируется ток, к какой-нибудь цепи, сопротивление которой можно изменять, и выполним соответствующие измерения. Включим, например, катушку I (рис. 11.12) в сеть городского переменного тока, который, как известно, 100 раз в секунду изменяет свое направление и, следова­тельно, 100 раз в секунду уменьшается до нуля и вновь достигает максимального значения. Так как ток в катушке I, а значит, и его магнитное поле непрерывно изменяются, то в катушке II будет все время индуцироваться переменная ЭДС, знак которой также будет изменяться.

В цепь индукционной катушки II включим в качестве индикатора тока лампочку накаливания и последовательно с ней реостат. Индукционный ток, переменный по силе и направлению, проходя через нить лампочки, будет ее нагревать и может довести до яркого накала. Не меняя ни катушек, ни их взаимного расположения, увеличим сопро­тивление индукционной цепи в два–три раза, передвигая движок реостата. Мы увидим, что лампочка будет светиться значительно более слабым, красноватым накалом, что ука­зывает на уменьшение тока, идущего через нее.

Заменив лампочку тепловым амперметром,мы можем измерить силу индукционного тока; измеряя, кроме того, полное сопротивление всей цепи, мы убедимся втом, что и для индукционных токов справедлив закон Ома

I = ℰ_i/R. (11.2)

где I – сила тока, R – полное сопротивление цепи, т. е. сумма сопротивления индукционной катушки и сопротивления остальных частей цепи (реостата, лампочки, амперметра и т. д.), а через ℰ_i обозначена ЭДСиндукции, остающаяся неизменной при изменении сопротивления цепи в наших опытах.

Мы уже рассматривали источники ЭДС – гальванические элементы, термоэлементы и аккумуляторы. В случае гальванического элемента, аккумулятора или термоэлемента мы могли установить, что ЭДС возникает в определенных местах цепи тока, именно в пограничном слое между металлом и электролитом или в месте контакта двух различных металлов. В случае же индукции ЭДС не сосредоточена в том или ином участке цепи, но действует во всей индукционной цепи в целом, т. е. во всех точках цепи, где изменяется поток магнитной индукции.

В случае витка, охватывающего линии поля, ЭДС возникает во всех точках витка и может быть подсчитана для витка в целом. В случае нескольких витков то же происходит в каждом из них: ЭДС катушки складывается из ЭДС отдельных витков.