Электромагнитная индукция вокруг нас: другой взгляд на привычный нам мир

Электромагнитная индукция — явление очень интересное. С ее помощью можно запускать дроны или подзаряжать гаджеты. Какие занимательные технологии современности связаны с электромагнитной индукцией?
Электромагнитная индукция вокруг нас: другой взгляд на привычный нам мир
GettyImages

Человечество не так уж давно «обуздало» электричество. Поначалу, пока одухотворенные молодые люди любовались зарницами и молниями, девушки гадали, почему в сухом помещении их локоны пушатся и не укладываются должным образом. Лишь в середине XVIII века Бенджамин Франклин обозначил на горизонте научного знания такое явление, как электричество. С тех пор совершались новые и новые открытия, а с появлением понимания электромагнитной индукции развитие человека и вовсе взлетело.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Что такое электромагнитная индукция

Термин «электромагнитная индукция», как можно понять из ее названия, связан с электрическим и магнитным полями. Первое по умолчанию существует в любом предмете: ведь все физические тела состоят из положительно заряженных протонов и отрицательно заряженных электронов.

Однако ручка, лежащая на столе, не будет бить вас током, ровно как и металлический столб от фонаря на улице. Тем не менее, если в последний ударит молния, он станет проводником электрического тока. Откуда он берется, если никакого аккумулятора или батарейки в небесах нет?

Кто открыл явление электромагнитной индукции
Работа многих бытовых приборов невозможна без электромагнитной индукции. Открытие этого физического явления колоссально повлияло на качество жизни человека
Freepik
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Возникновение тока может быть обусловлено изменениями в магнитном поле. Да, не только электричество может создавать магнитное поле. В XIX веке обнаружили, что, если магнитный поток меняется с течением времени, то в замкнутой цепи (то есть не в обычном проводе) может появиться электричество.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Это и есть электромагнитная индукция (от лат. inductio «выведение»). Благодаря этому открытию сегодня нас окружают ноутбуки, телевизоры, смартфоны, светильники и многие другие элементы техники, без которых мы сегодня уже не представляем свою жизнь.

Кто и как открыл электромагнитную индукцию

В первой половине XIX века, а именно в 1831 году, 29 августа английский физик Майкл Фарадей открыл электромагнитную индукцию. И это не было случайностью: он более 10 лет ставил опыты, на основе которых хотел установить взаимосвязь магнитного и электрического полей.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Явление электромагнитной индукции
Это Майкл Фарадей (1791-1867). Он не окончил школу, но, устроившись лаборантом, постепенно приближался к заветной цели: стать знаменитым на весь мир физиком. Действительно, открытое им явление электромагнитной индукции мы активно используем и сегодня
uleoparda.ru

С детства Фарадей работал в книжном магазине. Его семья нуждалась в деньгах, а потому мальчик даже школу не окончил. Нет, не стоит искать взаимосвязь неоконченного образования и гениального открытия. Помогли Майклу желание учиться и стремление к физике. И вот, в 1820 году он заинтересовался, что общего у электричества (в то время активно развивалась новоиспеченное ответвление науки — электростатика) и магнита.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

С чем имел дело Фарадей? Во-первых, с катушками. Причем витки одной из них находились между витками второй. Первая катушка подключена к гальванометру (прибору, улавливающему электрический ток), а вторая — к источнику электричества. Вся эта замкнутая конструкция располагалась на основе, не проводящей ток.

Понять, что происходит в такой конструкции, не составляет труда и школьнику. При замыкании цепи электричество поступает от источника тока к гальванометру. Прибор показывает определенное количество электричества, выраженное в импульсе. А что будет, если цепь разомкнуть? Нет, ток никуда не денется. Импульс останется, но просто поменяет свое направление на противоположное. Удивительно? Да, наверняка Фарадей тоже удивился.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Он заметил: когда он двигал одну катушку относительно другой, возникал электрический импульс. Это означало, что на наличие тока влияло движение магнитного поля катушки. Так Майкл Фарадей создал трансформатор. Электричество начало появляться в домах уже спустя 50 лет после этого знаменательного дня.

Опыты Фарадея

Итак, давайте подробнее разберем, что же делал Фарадей, чтобы понять, что за «фрукт» эта электромагнитная индукция. Сегодня разделяют 2 опыта Майкла Фарадея.

Первый опыт Фарадея

Повторить первый и основной эксперимент английского физика вы можете и в домашних условиях.

Явление электромагнитной индукции
Для опыта вам потребуются лишь катушка, амперметр и магнит. Так вы сможете увидеть явление электромагнитной индукции воочию
multiurok.ru

Катушку нужно напрямую подключить к амперметру. Если внутрь катушки помещать магнит, а затем вынимать его, вы увидите, как стрелка амперметра двигается. Причем, если вы вносите магнит, а стрелка перемещается вправо, то по мере удаления магнита от катушки направление стрелки амперметра будет меняться на противоположное.

Также играет немаловажную роль то, каким боком вы вносите магнит в катушку: если севером внутрь, то сначала амперметр покажет отрицательные значения, а потом положительные.

Второй опыт Фарадея

В данном опыте участвуют уже две катушки. Одна из них подключена к источнику тока, а вторая — к амперметру. Между собой катушки никак не соединены, но одна стоит на другой (то есть их магнитные поля пересекаются). Размыкая и замыкая цепь, вы устроите стрелке амперметра настоящую дискотеку: она будет отклоняться то вправо, то влево, пропорционально вашим движениям.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Закон электромагнитной индукции Фарадея
Вот как выглядит опыт Фарадея с двумя катушками. С его помощью вы можете наблюдать явление электромагнитной индукции
kopilkaurokov.ru

Вывод Майкл Фарадей сделал следующий: наличие тока при электромагнитной индукции зависит от наличия переменного магнитного поля рядом с цепью. А уж появляется такое поле от магнита или от другой катушки — это не имеет большого значения.

Закон электромагнитной индукции

Словесно этот закон можно обозначить следующим образом. Электродвижущая сила вокруг замкнутого контура равна отрицательной скорости изменения во времени магнитного потока, окружённого контуром.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Позже физик из Шотландии, Джеймс Клерк Максвелл, упорядочил знания об электромагнитной индукции четырьмя уравнениями. В эту систему вошли следующие теоретические знания:

  1. закон Кулона;
  2. теорема Гаусса,
  3. закон Био—Савара,
  4. законы электромагнитной индукции Фарадея.

Формула закона электромагнитной индукции

Практика — это, конечно, хорошо, но зафиксировать полученную информацию просто необходимо, даже если в голове есть лишь слово «эврика». Так Майкл Фарадей и поступил. Он вывел формулу, которая неизменно печатается в школьных учебниках по физике:

ЭДC индукции = -ΔФ/Δt, где ΔФ — изменение магнитного потока, а Δt — изменение времени.

Более кратко закон электромагнитной индукции звучит так: генерируемая ЭДС пропорциональна скорости изменения магнитного потока.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Лабораторные работы в школе на тему «Электромагнитная индукция»: как подготовиться и сдать

Фарадей не только подарил нам неограниченное количество электричества, но и значительно «уплотнил» учебники по физике. Ни одна школа не обходится без повторения опытов Фарадея. Для того, чтобы написать лабораторную на пятерку, нужно учитывать следующее:

  • У вас на столе должны быть все приборы для эксперимента: источник тока, гальванометр или амперметр, катушка, магнит, провода. Если опыт состоит из двух этапов, скорее всего, вам также понадобится вторая катушка но большего или меньшего размера, чем первая.
  • Правильно обозначьте цель лабораторной работы. В общих чертах она звучит так: «Познакомиться с явлением электромагнитной индукции». Однако в некоторых случаях следует написать более конкретно: «Изучить явление электромагнитной индукции на основе двух опытов Майкла Фарадея с переменным магнитным полем».
  • Когда вы соберете цепь по инструкции, сразу же обращайте внимание на гальванометр. Если его стрелка резко отклоняется, скорее всего, вы делаете все правильно. Помните: этот эксперимент не сработает, если вы не будете двигать магнит, потому что для электромагнитной индукции важно наличие переменного магнитного поля.
  • В выводе обязательно укажите, что в ходе работы вы не просто обнаружили, что электромагнитная индукция существует (это и ежу понятно), а еще и выяснили, что отклонение стрелки гальванометра показывает, что направление тока стремится компенсировать изменение магнитного поля.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Опыт электромагнитной индукции
При выполнении лабораторной работы на тему «Явление электромагнитной индукции» вам могут пригодиться подобные чертежи
ekonomstrojdom.ru
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Если же вы решаете практические задачи по применению закона Фарадея, давайте разберемся, как сделать это правильно.

Задача на знание закона Фарадея

По катушке индуктивностью 8 мкГн течет ток в 6 А. Определить среднее значение ЭДС самоиндукции, возникающей в цепи, если сила тока изменяется почти до нуля за 5 мс.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Дано:

  • L=8 мкГн
  • I=6 А
  • ∆t=5 мс

Найти:

  • <?> — ?

Решение:

Формула магнитного потока:

Ф=?·?

По закону Фарадея:

<?>=∆Ф∆?=-?∆?∆?

Так как индуктивность не меняется, а магнитный поток изменяется только ввиду снижения силы тока до нуля (ΔI = I), то справедлива формула:

<?>=-??∆?

Подставим числа и вычислим:

<?>=-8·10-6·65·10-3=-9,6·10-3 В

Ответ: -9,6 мВ.

Как используют электромагнитную индукцию сегодня

Сколько можно летать? «Пока хватит топлива», — скажет любитель самолетов. «Пока аккумулятор не сядет», — скажет владелец модного беспилотника. «Сколько захочется», — возразит Сэмер Альдрахер (Samer Aldhaher) из Имперского колледжа Лондона.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Демонстрируя возможности технологий беспроводной передачи энергии, физик придумал несложную модификацию миниатюрного квадрокоптера, купленного в магазине, и снял с него бортовые элементы питания. Вместо них на дрон установлена простейшая спираль из медной ленты — находясь поблизости от индуцирующей медной катушки, аппарат остается в воздухе столько, сколько душе угодно.

Нажми и смотри

Конструкция системы Альдрахера совсем проста, но еще проще — устройство для демонстрации электромагнитной индукции в беспроводной передаче электричества, сборку которого демонстрирует ролик YouTube-канала Ludic Science. Удивить окружающих, заинтересовать ребенка: все, что понадобится — моток медной проволоки, транзистор, батарейка, с которой мы будем передавать энергию, и светодиод, который попробуем зажечь. Все детали объясняются в ролике, и не пугайтесь, что он на английском, схема действительно проще некуда.

Нажми и смотри

Жаль, что такие простые системы очень неэффективны: индуцирующая катушка распространяет энергию ненаправленно, и львиная доля ее теряется, так и не попадая на заряжаемое устройство. Впрочем, радиофизики находят довольно остроумные способы обходить это ограничение.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Например, компания Ossia продвигает беспроводные «зарядки», встроенные в стены или в виде отдельно стоящих устройств — и способные эффективно заряжать даже такой прожорливый гаджет, как iPhone. Специальный модуль на самом смартфоне рассылает слабые сигналы, часть которых (как напрямую, так и отразившись от окружающих предметов) попадает на заряжающее устройство и позволяет определить положение смартфона в пространстве. Дальнейшее — дело техники: ответные высокоэнергетические импульсы отправляются по тем же направлениям в обратную сторону, с частотой 100 Гц.

Нажми и смотри

Ну а чтобы добраться до самой сути и выяснить, как работают такие устройства, нет ничего лучше, чем посмотреть старое доброе кино. 20-минутный научно-популярный фильм «Электромагнитная индукция». Вышедший в 1978 г. на «Леннаучфильме», он ничуть не устарел, как не стареют и законы физики.

Нажми и смотри