§ 138. Условия возникновения индукционного тока. На­помним некоторые простейшие опыты, в которых наблюда­ется возникновение электрического тока в результате элект­ромагнитной индукции.

Один из таких опытов изображен на рис. 253. Если ка­тушку, состоящую из большого числа витков проволоки, быстро надевать на магнит или сдергивать с него (рис. 253, а), то в ней возникает кратковременный индукционный ток, который можно обнаружить по отбросу стрелки гальвано­метра, соединенного с концами катушки. То же имеет место, если магнит быстро вдвигать в катушку или выдергивать из нее (рис. 253, б). Значение имеет, очевидно, только отно­сительное движение катушки и магнитного поля. Ток прекращается, когда прекращается это движение.

Рассмотрим теперь несколько дополнительных опытов, которые позволят нам в более общем виде сформулировать условия возникновения индукционного тока.

Первая серия опытов: изменение магнитной индукции поля, в котором находится индукционный контур (катушка или рамка).

Катушка помещена в магнитное поле, например внутрь соленоида (рис. 254, а) или между полюсами электромагнита (рис. 254, б). Установим катушку так, чтобы плоскость ее витков была перпендикулярна к линиям магнитного поля соленоида или электромагнита. Будем изменять магнитную индукцию поля, быстро изменяя силу тока в обмотке (с помощью реостата) или просто выключая и включая ток (ключом). При каждом изменении магнитного поля стрелка гальванометра дает резкий отброс; это указывает на воз­никновение в цепи катушки индукционного электрического тока. При усилении (или возникновении) магнитного поля возникнет ток одного направления, при его ослабле­нии (цли исчезновении) — обратного. Проделаем теперь тот же опыт, установив катушку так, чтобы плоскость ее вит-

321

ков была параллельна ¹) направлению линий магнитного поля (рис. 255). Опыт даст отрицательный результат: как бы мы ни изменяли магнитную индукцию поля, мы не обнаружим в цепи катушки индукционного тока.

Рис. 253. При относительном перемещении катушки и магнита в ка­тушке возникает индукционный ток: а) катушка надевается на маг­нит; б) магнит вдвигается в катушку

Вторая серия опытов: изменение положения катушки, находящейся в неизменном магнитном поле.

Поместим катушку внутрь соленоида, где магнитное поле однородно, и будем быстро поворачивать ее на некоторый

угол вокруг оси, перпендикулярной к направлению поля (рис. 256). При всяком таком повороте гальванометр, сое­диненный с катушкой, обнаруживает индукционный ток, направление которого зависит от начального положения

Рис. 254. В катушке возникает индукционный ток при изменении маг­нитной индукции, если плоскость ее витков перпендикулярна к ли­ниям магнитного поля: а) катушка в поле соленоида; б) катушка в поле электромагнита. Магнитная индукция изменяется при замыкании и равмыкании ключа или при изменении силы тока в цепи

катушки и от направления вращения. При полном оборо­те катушки на 360° направление индукционного тока изме­няется дважды: всякий раз, когда катушка проходит поло­жение, при котором плоскость ее перпендикулярна к на-

Рис. 256. При вращении катуш­ки в магнитном поле в ней возникает индукционный ток

Рис. 255. Индукционный ток не возникает, если плоскость вит­ков катушки параллельна ли­ниям магнитного поля

I

Jp-C

<D

правлению магнитного поля.. Конечно, если вращать ка­тушку очень быстро, то индукционный ток будет так часто изменять свое направление, что стрелка обычного гальва-

нометра не будет успевать следовать за этими переменами и понадобится иной, более «послушный» прибор.

Если, однако, перемещать катушку так, чтобы она не поворачивалась относительно направления поля, а лишь перемещалась параллельно самой себе в любом направле­нии вдоль поля, поперек его или под каким-либо углом к направлению поля, то индукционный ток возникать не бу­дет. Подчеркнем еще раз: опыт по перемещению катушки проводится в однородном поле (например, внутри длинного

Рис. 257. В катушке возникает индукционный ток, если изменяется площадь ее контура, находящегося в неизменном магнитном поле и расположенного перпенцикулярио к линиям магнитного поля (маг­нитное поле направлено от наблюдателя)

в

+ + + + + + ++■ + + + + + + + +•

в

4* 4* + + 4- + + + + •!-+ + + + + +

+ + + + + + + +

' б)

соленоида или в магнитном поле Земли). Если поле неод­нородно (например, вблизи полюса магнита или электромаг­нита), то всякое перемещение катушки может сопровождать­ся появлением индукционного тока, за исключением одного случая: индукционный ток не возникает, если катушка движется так, что плоскость ее все время остается парал­лельной направлению поля (т. е. сквозь катушку не прохо­дят линии магнитного поля).

Третья серия опытов-, изменение площади контура, находящегося в неизменном магнитном поле.

Подобный опыт можно осуществить по следующей схеме (рис. 257). В магнитном поле, например между полюсами большого электромагнита, поместим контур, сделанный из гибкого провода. Пусть первоначально контур имел форму

окружности (рис. 257, а). Быстрым движением руки можно стянуть контур в узкую петлю, значительно уменьшив таким образом охватываемую им площадь (рис. 257, б). Гальванометр покажет при этом возникновение индукцион­ного тока.

Еще удобнее осуществление опыта с изменением пло­щади контура по схеме, изображенной на рис. 258. В маг­нитном поле расположен контур abed, одна из сторон кото­рого (Ьс на рис. 258) сделана подвижной. При каждом ее

Рис. 258. При движении стержня Ьс и изменении вследствие этого площади контура abed, находящегося в магнитном поле В, в контуре

возникает ток.

передвижении гальванометр обнаруживает возникновение в контуре индукционного тока. При этом при передвижении Ьс влево (увеличение площади abed) индукционный ток имеет одно направление, а при передвижении Ьс вправо (уменьше­ние площади abed) — противоположное. Однако и в этом случае изменение площади контура не дает никакого индук­ционного тока, если плоскость контура параллельна на­правлению магнитного поля.

Сопоставляя все описанные опыты, мы можем сформули­ровать условия возникновения индукционного тока в общей форме. Во всех рассмотренных случаях мы имели контур, помещенный в магнитное поле, причем плоскость контура могла составлять тот или иной угол с направлением маг­

нитной индукции. Обозначим площадь, ограниченную кон­туром, через S, магнитную индукцию поля через В, а угол между направлением магнитной индукции и плоскостью контура через ср. В таком случае составляющая магнитной индукции, перпендикулярная к пло­скости 'контура, будет равна по мо- . дулю (рис. 259)

Рис. 259. Разложение магнитной индукции В на составляющую В перпендикулярную к плоскости индукцион­ного контура, и состав­ляющую /?ц , парал­лельную этой плоско­сти

.Bj_ = .6sin<p.

Произведение В_х5 мы будем назы­вать потоком магнитной индукции ¹) или, короче, магнитным потоком через контур; эту величину мы будем обозначать буквой Ф. Таким образом,

ф = Б_х5 = Б5з1пф.. (138.1)

Во всех без исключения рассмот­ренных случаях мы тем или иным способом изменяли магнитный поток Ф. В одних случаях' мы осуществля­ли это путем изменения магнитной индукции В (рис. 254); в других слу­чаях изменялся угол ф (рис. 256); в третьих — площадь S (рис. 257). В об­щем случае, конечно, возможно одновременное изменение всех этих величин, определяющих магнитный поток через контур. Внимательное рассмотрение самых разнообразных индукционных опытов показывает, что индукционный ток возникает тогда и только тогда, когда изменяется магнитный поток Ф; индукционный ток никогда не возникает, если магнитный поток Ф через данный контур остается неизмен­ным. Итак:

При всяком изменении магнитного потока через прово­дящий контур в этом контуре возникает электрический ток.

В этом и заключается один из важнейших законов при­роды — закон электромагнитной индукции, открытый Фа­радеем в 1831 г.

1. Катушки I и II находятся одна внутри другой (рис. 260). В цепь первой включена батарея, в цепь второй — гальванометр. Если в первую катушку вдвигать или выдвигать из нее железный стержень, то гальванометр обнаружит возникновение во второй катушке индукционного тока. Объясните этот опыт.

Рис. 260. К упражнению 138.1

2. Проволочная рамка вращается в однородном магнит­ном поле вокруг оси, параллельной магнитной индукции. Будет ли в ней возникать индукционный ток?

3. Возникает ли э.д.с. индукции на концах стальной оси автомобиля при его движении? При каком направлении движе­ния автомобиля эта э.д.с. наибольшая и при каком наимень­шая? Зависит ли э.д.с. индукции от скорости автомобиля?

4. Шасси автомобиля вместе с двумя осями составляет замк­нутый проводящий контур. Индуцируется ли в нем ток при дви­жении автомобиля? Как согласовать ответ этой задачи с резуль­татами задачи 138.3?

5. Почему при ударе молнии иногда в нескольких метрах от места удара обнаруживались повреждения чувствительных электроизмерительных приборов, а также плавились предохра­нители в осветительной сети?

ного поля, и следовательно, при увеличении магнитного потока, токи в катушках I и II имеют противоположные направления; напротив, в случае, когда индукция происхо­дит вследствие ослабления магнитного поля, т. е. при умень­шении магнитного потока, оба тока /_перв и /_инд имеют одинаковые направления. Иначе можно сказать, что когда причиной индукции является усиление магнитного потока, пронизывающего площадь контура, то возникающий индук­ционный ток направлен так, что он ослабляет первоначаль­ный магнитный поток. Напротив, когда индукция происхо-

I,

Рис 261. Связь между направлением первичного тока /_Пе_рв. создаю­щего магнитное поле, и направлением индукционного тока /_инд: а) при усилении магнитного поля; б) при ослаблении магнитного поля

дит вследствие ослабления магнитного потс!ка, магнитное поле индукционного тока усиливает первоначальный маг­нитный поток.

Полученный нами результат можно сформулировать в виде общего правила:

Индукционный ток всегда имеет такое направление, при котором его магнитное поле уменьшает (компенсирует) изменение магнитного потока, являющееся причиной возник­новения этого тока.

Это общее правило соблюдается во всех без исключения случаях индукции. Рассмотрим, в частности, случай, когда индукция вызывается перемещением контура или части его относительно магнитного поля. Такой опыт изображен на рис. 253, а схема его показана на рис. 262, причем стрелки на витке указывают направление тока, индуцируемого в катушке при ее приближении к северному полюсу магнита N (рис. 262, а) или при ее удалении от этого полюса (рис. 262,6). Пользуясь правилом буравчика (§ 124), легко определить направление магнитного поля индукционного тока и убе­диться, что оно соответствует сформулированному выше правилу.

Обратим теперь внимание на такой факт. Когда в катуш­ке возникает индукционный ток, она становится эквивалент­ной магниту, положение северного и южного полюсов кото­рого можно определить по правилу буравчика. На рис. 262 показано, что в случае а) на верхнем конце катушки воз­никает северный полюс, а в случае б) — южный полюс. Из этого рисунка мы видим, что когда мы приближаем к индук­ционной катушке, скажем, северный полюс магнита N, то на ближайшем к нему конце катушки возникает также се­верный полюс, а когда мы удаляем от катушки северный

.Nz

— N-

а)

Рис. 262. Направление индукционного тока, воз­никающего в контуре: а) при приближении к не­му магнита; б) при удале­нии от него магнита

полюс магнита N, то на ближай­шем конце катушки возникает юж­ный полюс. Но, как мы знаем, магниты, обращенные Друг к дру­гу одноименными полюсами, от­талкиваются, а разноименными,— притягиваются. Поэтому, когда ин­дукция происходит вследствие приближения магнита к катушке, то силы взаимодействия между магнитом и индукционным током отталкивают магнит от катушки, а когда индукция происходит при удалении магнита от катушки, то они притягиваются друг к другу. Таким образом, для случаев, ког­да индукция происходит вследст­вие движения магнита или всего индукционного контура в целом, мы можем установить следующее общее правило, по существу рав­носильное правилу, сформулиро­ванному выше, но для этих случаев более удобное:

Индукционный ток всегда имеет такое направление, что взаимодействие его с первичным магнитным полем противо­действует тому движению, вследствие которого происходит индукция.

Это правило носит название правила Ленца ¹).

Правило Ленца стоит в тесной связи с законом сохранения энергии. В самом деле, представим себе, например, что при приближении север­ного полюса магнита N к соленоиду ток в нем имел бы направление, про­тивоположное тому, какого требует правило Ленца, т. е. что на ближай­

шем к магниту конце соленоида возникал бы не северный, а южный по­люс. В этом случае между соленоидом и магнитом возникли бы не силы отталкивания, а силы притяжения. Магнит продолжал бы самопроиз­вольно и со все большей скоростью приближаться к соленоиду, созда­вая в нем все большие индукционные токи и тем самым все более уве­личивая силу, притягивающую его к соленоиду. Таким образом, без всякой затраты внешней работы мы получили бы, с одной стороны, не­прерывное ускоренное движение магнита к соленоиду, а с другой, все более возрастающий ток в соленоиде, способный производить работу. Ясно, что это невозможно и что индукционный ток не может иметь дру­гого направления, чем то, которое указывается правилом Ленца. В том же можио убедиться, рассматривая и другие случаи индукции.

Рис. 264. Вращение маг­нита 1 создает вращаю­щееся магнитное поле, которое приводит во вра­щение кольцо 2

На рис. 263 показан очень простой и наглядный опыт, иллюстрирующий правило Ленца. Алюминиевое кольцо, служащее индукционной катушкой, подвешено вблизи полюсов сильного магнита или электромагнита, который можно передвигать по рельсу. Отодвигая магнит от кольца, увидим, что кольцо следует за ним. Напротив, придвигая

Рис. 263. Индукционная катуш­ка в форме кольца подвешена между полюсами магнита. Если магнит отодвигать от кольца, то кольцо следует за ним. Если магнит придвигать к кольцу, то оно уходит от магнита

магнит к кольцу, обнаружим, что кольцо уходит от магни­та. В обоих случаях при движении магнита изменяется магнитный поток сквозь кольцо, и в кольце возникает ин­дукционный ток. По правилу Ленца этот ток направлен

так, что взаимодействие его с перемещающимся магнитом тормозит движение магнита; согласно третьему закону Ньютона (см. том I) силы противодействия приложены к кольцу и вызывают его перемещения.

На рис. 264 изображен аналогичный опыт, в котором прямолинейное движение заменено вращением. При вра­щении магнита 1 поле, оставаясь постоянным по модулю, вращается вместе с ним. Вследствие этого магнитный поток

Рис. 265. К упражнению 139.1

через кольцо 2 все время из­меняется и в кольцеиндуциру­ется ток. Применяя правило Ленца и принимая во внима­ние третий закон Ньютона, мы легко поймем, что кольцо, по­мещенное во вращающееся магнитное поле, приходит во вращение в ту же сторону,

совершенно одинаковое изменение магнитного потока в различных контурах, отличающихся только материалом, из которого сделаны эта 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 ни- хромовой 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 ¹).

противления индукционной цепи индукционный ток уменьшается (лампочка горит менее ярко). I — катушка с первичным то­ком, II — катушка с индукци­онным током

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

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. 266) 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 э. д. с., направление 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 (§ 44), мы можем измерить силу индукционного тока; измеряя, кроме того, полное сопротивление всей цепи, мы убедимся в том, что и для индукционных токов справедлив закон Ома

где / — 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 обозначена э. д. с. индукции, остающаяся неизменной при изменении сопротивления цепи в наших опытах.

С понятием э. д. с. мы встречались уже раньше при рас­смотрении вопроса об условиях возникновения и поддержа­ния электрического тока в цепи (§ 39). Существенное разли­чие между случаями, рассмотренными ранее (гл. VI), и э. д. с. индукции заключается в следующем. В случае гальваниче­ского элемента, аккумулятора или термоэлемента мы могли установить, что э. д. с. 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 э. д. с. не сосредоточена в том­или 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, э. д. с. возникает во всех точках витка и может быть подсчитана для витка в целом. В случае нескольких витков то же происходит в каждом из них: э. д. с. катушки складывается из э. д. с. отдельных витков.

рого определяется по закону Ома через э. д. с. индукции и сопротивление цепи. Чем же определяется э. д. с. индукции?

Если присмотреться ко всем индукционным опытам (§ 137), то легко обнаружить, что сила индукционного тока в контуре, а следовательно, и з. д. с. индукции, оказы­вается различной в зависимости от того, быстро или мед­ленно мы производим изменение магнитного потока, яв­ляющееся необходимым условием возникновения индукции. Чем медленнее происходит процесс изменения магнитного потока, тем меньше э. д. с. индукции и тем меньше индук­ционный ток при заданном сопротивлении цепи. Таким об­разом, осуществляя определенное изменение магнитного потока за различное время, мы получаем различную э. д. с. индукции. Если в момент U магнитный поток имел значе­ние Ф_ь а к моменту t₂ его значение стало равным Ф₂, то за время At=t₂—t_x произошло изменение магнитного потока на ДФ=Ф₂—Ф_1# Отношение ДФ/Д/ дает изменение магнит­ного потока в единицу времени, т. е. представляет собой скорость изменения магнитного потока. Измерения, вы­полненные при различных условиях опыта (в любом кон­туре, при любом изменении значения магнитного потока и т. д.), показывают, что з. д. с. индукции зависит только от скорости изменения магнитного потока. А именно:

Э. д. с. индукции Si пропорциональна скорости измене­ния магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, причем в СИ коэффициент пропорциональности равен единице, так что

<£,=^Г- (HI.1)

Само собой разумеется, что если магнитный поток изме­няется с течением времени неравномерно, то отношение ДФ/Д^ дает среднюю скорость изменения магнитного потока, аналогичную средней скорости движения (см. том I), и в соответствии с этим формула (141.1) дает возможность вы­числить среднюю э. д. с. индукции. Для определения мгно­венного значения э. д. с. индукции в каждый момент вре­мени нужно, так же как при определении скорости неравно­мерного движения, рассматривать изменение магнитного потока ДФ за столь малый промежуток времени At, чтобы в течение этого промежутка можно было при наших способах измерения считать изменение магнитного потока равномер­ным. В таких случаях отношение ДФ/Д/ будет характери­зовать скорость изменения магнитного потока для данного момента, а вычисленное на основании формулы (141.1) значение ДФ/Д^ будет значением э. д. с. индукции для этого момента. Все эти рассуждения в точности повторяют рас­суждения, относящиеся к определению мгновенной и сред­ней скорости в механике.

В наших рассуждениях мы предполагали, что имеем дело с контуром, состоящим только из одного витка, т. е. с контуром, который один раз охватывает линии поля. В об­щем случае, когда индукционная катушка имеет N одина­ковых/витков, каждый из которых испытывает изменение потока Дф, э. д. с. индукции, очевидно, в N раз больше, потому что витки катушки соединены друг с другом после­довательно и э. д. с., возникающие в каждом из витков, складываются. Таким образом, 9. д. с. индукции, возникаю­щая в катушке из N витков, пропорциональна числу вит­ков и скорости изменения магнитного потока сквозь каждый виток катушки:

= (141.2)

В случае, если витки неодинаковы, так что изменения магнитного потока через_ отдельные витки равны ДФх, ДФ₂, ДФ₃, . . ., сумма АФ₂-{-^Фз-|-. . . есть полное изменение потока, пронизы­вающего все витки катушки, т. е. изменение потока через катушку в целом. Э. д. с. такой катушки

ДФ1 ДФ« ДФ* ДФ

где ДФ = ДФ1 -f- ДФд ДФ3

Формулы (141.1) и (141.2) дают значение э. д. с. индук­ции. Что же касается направления э. д. с. индукции (направ­ления индукционного тока), то оно определяется правилом Ленца (§ 139).

Единицей магнитного потока в СИ служит вебер (Вб) — по имени немецкого физика Вильгельма Эдуарда Вебера (1804—1891). Один вебер представляет собой поток через поверхность, площадь которой равна одному квадратному метру, пересекаемую перпендикулярными к ней линиями однородного поля с магнитной индукцией, равной одному тесла. При скорости изменения потока, равной 1 Вб/с, в контуре индуцируется э.д.с., равная 1 В.

? 141.1. На рис. 267 изображен так называемый «земной индуктор». Это катушка из большого числа витков проволоки, которая может быть приведена в быстрое вращение вокруг оси 00, совпадающей с ее вертикальным диаметром. При вращении этой катушки в магнитном поле Земли в ней возникает индукционный электриче­ский ток. Разберите следующие три случая: а)индуктор вращается около вертикальной оси 00; б) ось вращения горизонтальна н

направлена по магнитному меридиану (с севера на юг); в) ось вра­щения горизонтальна и направлена перпендикулярно к магнит, ному меридиану (с запада на восток). Какая составляющая зем­ного магнитного поля обусловливает индукцию в каждом из этих случаев? В каком случае индукционный ток при прочих равных условиях будет наибольшим? Если наклонение в данном месте Земли равно 70°, то в каком из случаев — а) или б) — индукцион­ный ток будет больше?

2. 

   141.1

   Катушка земного индуктора содержит 500 витков, пло­щадь каждого витка равна 1200 см®. Индуктор вращается с часто­той 20 об/с. Зная, что горизонтальная составляющая индукции земного поля в данном месте равна 5• 10~⁶ Тл и что наклоне­ние равно 60°, вычислите для каждого из случаев, разобран­ных в предыдущей задаче, сред­нее значение э.д.с. индукции и максимальное значение потока магнитной индукции через один виток катушки.

3. В катушке без железного сердечника, имеющей длину 25 см и диаметр 10 см и содержащей 1000 витков, ток равномерно увеличивается на 1 А за 1 с. На эту катушку надета другая ка­тушка, содержащая 100 вит­ков. Какая э.д.с. будет индуци­роваться в ней?

4. Катушка, состоящая из 100 витков проволоки с радиу­сом витка 1 см, помещена между полюсами электромагнита. Концы ее присоединены к измерительно­му прибору, который показал, что при вынимании катушки из поля или выключении электромагнита в катушке протекает ин­дуцированный заряд 6,28 мкКл. Сопротивление катушки рав­но 50 Ом, сопротивление гальванометра равно 1550 Ом. Вычис­лите магнитную индукцию в междуполюсном пространстве элект­ромагнита.

5. Катушка, имеющая сопротивление 1000 Ом и состоящая из 100 витков с площадью 5 см², была внесена в однородное поле между полюсного пространства электромагнита так, что линии магнитного поля оказались перпендикулярными к плоскости вит­ков катушки. При этом в ней индуцировался заряд 2 мкКл. Вычи­слите магнитную индукцию в междуполюсном пространстве маг­нита.

6. Какой заряд будет индуцирован в катушке предыдущей задачи, если мы повернем ее в междуполюсном пространстве электромагнита так, чтобы плоскость ее витков составила угол 30° с линиями поля?

Представим себе какое-нибудь тело, например стержень ab, движущийся в магнитном поле с индукцией В. Для простоты предположим, что на­правления стержня ab, магнитной индукции В и скорости движения V взаимно перпендикулярны (рис. 268). Движение стержня есть в то же время движение положительных и отрицательных зарядов, входящих в состав молекул этого стержня. И те и другие движутся в одну сторону, в сторону движение самого стержня ab. Магнитное поле действует на эти заряды, согласно § 136, силой Лоренца, стремясь передвигать поло­жительные заряды в одну сторону, к концу Ь, а отрицательные в другую, к концу а. Таким образом, действие силы Лоренца приводит к возник­новению э. д. с., которую мы и называем э. д. с. индукции.

В случае движения металлического стержня положительные ионы, составляющие остов стержня, не могут перемещаться вдоль него, а отрицательные заряды — подвижные электроны — будут скапливаться

Рис. 268.' К объяснению электромагнитной индукции при помощи силы Лоренца. Между точками а и Ь стержня индуцируется э. д. с., направ­ленная от точки Ь к точке а

в избытке у конца а; конец Ь будет характеризоваться недостатком элек­тронов. Возникшее напряжение U_аъ и определяет собой э. д. с. индук­ции. В случае движения столба электролита положительные и отрица­тельные ионы накапливаются под действием сил Лоренца на противо­положных концах столба. В случае же движения диэлектрика разделе­ние зарядов под действием силы Лоренца приводит к поляризации ди­электрика (§37). Эти представления особенно удобны при исследовании возникновения э. д. с. индукции в незамкнутых контурах, например в стержне, падающем в магнитном поле Земли.

Само собой разумеется, что, пользуясь правилами разложения век­торов и указанием (§ 136) относительно направления силы Лоренца, мы без труда разберем и те случаи, когда направление движения и направ­ление поля составляют между собой или с направлением проводника углы, отличные от прямого. В частности, как легко видеть, э. д. с. ин­дукции равна нулю, если проводник движется параллельно направле­нию поля, т. е. угол между направлением скорости зарядов V и направ­лением индукции магнитного поля В равен нулю.

Конечно, для наглядного истолкования возникновения э. д. с. индукции нельзя пользоваться силами Лоренца в тех случаях, когда индукция обусловлена изменением поля В в неподвижных проводни­ках. Но в случае индукции в движущихся проводниках, когда способ рассмотрения с помощью силы Лоренца применим, он дает не только качественную картину, но и правильное количественное выражение э. д. с. индукции.

§ 143. Индукционные токи в массивных проводниках. Токи Фуко. Рассмотрим еще раз простейший опыт индукции то­ка в витке из провода, помещенном в изменяющееся магнит­ное поле (рис. 269, а). Виток этот замкнут, причем в цепи нет гальванометра, по отклонению которого мы могли бы судить о наличии в витке индукционного тока. Мы мо­жем, однако, обнаружить этот ток по тому нагреванию, которым сопровождается его прохождение по витку (§ 56).

Рис. 269. В проводнике, помещенном в изменяющееся магнитное поде, возникает индукционный ток, нагревающий проводник: а) со­противление витка из провода велико, его нагревание мало; б) сопро­тивление витка из более толстого провода меньше, его нагревание больше; в) виток заменен металлической пластинкой с небольшим от­верстием посередине, нагревание его еще больше; г) виток заменен сплошной металлической пластинкой, в которой возникают индук­ционные токи, сильно нагревающие ее

Если мы, сохраняя прежние внешние размеры витка, сде­лаем его из более толстого провода или из металлической ленты (рис. 269, б), то э. д. с. индукции <£₍- останется преж­ней (ибо скорость изменения магнитного потока ДФ/Д/ осталась прежней), а сопротивление витка уменьшится. Вследствие этого индукционный ток / возрастет. Так как мощность, выделяемая в витке в виде тепла, пропорциональ­на IS;, то, следовательно, при уменьшении сопротивления витка нагревание его увеличится.

На риС. 269 показано несколько таких «витков» со все возрастающей толщиной; последний представляет собой просто сплошную металлическую пластинку, помещенную в изменяющееся магнитное поле. Понятно, что вместо тон­кой пластинки мы могли бы взять и толстый кусок металла. Как и следует ожидать, опыт показывает, что такой кусок металла, помещенный в изменяющееся магнитное поле, на­гревается; иногда это нагревание довольно сильно. Это ука­зывает на то, что при изменении магнитного потока индук­ционные токи возникают и в массивных кусках металла, а не только в проволочных контурах.

Эти токи обычно называют вихревыми токами или то­ками Фуко, по имени открывшего их французского физика Леона Фукб (1819—1868). Их направление и сила зависят от формы куска металла, находящегося в поле, от направ­ления изменяющегося магнитного потока, от свойств ма­териала, из которого сделан кусок, и, конечно, от скорости изменения магнитного потока. Распределение вихревых токов в металле, вообще говоря* может быть очень сложным.

В кусках достаточно толстых, т. е. имеющих большие размеры в направлении, перпендикулярном к направлению индукционного тока, вихревые токи вследствие малости сопротивления могут быть очень большими и вызывать очень значительное нагревание. Если, налример, поме­стить внутрь катушки массивный металлический сердеч­ник и пропустить по катушке переменный ток, .который 100 раз в секунду изменяет свое направление и силу, до­ходя до нуля и вновь усиливаясь, то этот сердечник нагре­ется очень сильно. Нагревание это вызывается индукцион­ными (вихревыми) токами, возникающими вследствие не­прерывного изменения магнитного потока, пронизывающего сердечник. Если же этот сердечник сделать из отдельных тонких проволок, изолированных друг от друга слоем лака или окислов, то сопротивление сердечника в направлении, перпендикулярном к его оси, т. е. сопротивление для вихре­вых токов, возрастет, и нагревание значительно уменьшит­ся. Этим приемом — разделением сплошных кусков железа на тонкие изолированные друг от друга слои — постоянно пользуются во всех электрических машинах для уменьше­ния нагревания их индукционными токами, возникающими в переменном магнитном поле. С другой стороны, токи Фуко

Рис. 270. Колебания под­вешенной на нити магнит­ной стрелки быстро зату­хают, если вблизи стрел­ки находится массивный кусок металла

иногда используются в так назы­ваемых индукционных печах для сильного нагревания или даже плавления металлов.

Вихревые токи, как и всякие индук­ционные токи, подчиняются правилу Лен­ца, т. е. они направлены так, что взаимо­действие их с первичным магнитным по­лем тормозят то движение, ноторым вы­зывается индукция. Простейший опыт, с помощью которого можно проверить пра­вило Ленца в применении к вихревым токам, показан на рис. 270. Магнит­ная стрелка подвешена на нити. Предоставленная самой себе, она установится в положении равновесия, т. е. по магнитному меридиану^ данного места (приблизительно в направлений север — юг). Если её' ^!

отклонить, то она будет довольно долго колебаться около этого положе­ния. Как и колебания маятника, колебания стрелки будут затухать очень медленно, если трение в подвесе достаточно мало. Поместим те­перь под стрелкой, очень близко к ней, массивную медную пластинку. Мы увидим, что при этом затухание колебаний магнита происходит зна­чительно быстрее: после одного или двух качаний стрелка установится в положении равновесия. Причина этого ясна. При движении магнита в пластинке индуцируются вихревые токи, взаимодействие которых с маг­нитным полем по правилу Ленца тормозит движение магнита. Тот за­пас кинетической энергии, который мы сообщали магниту, толкнув его, быстро превращается вихревыми токами во внутреннюю энергию пла­стинки, вызывая ее нагревание. Подобное «магнитное успокоение» применяется во многих электроизмерительных приборах.

Взаимодействие токов Фуко с магнитной стрелкой можно наблю­дать и в следующем видоизменении описанного опыта. “Прикрепим мед­ный диск к центробежной машине и заставим его быстро вращаться. Магнитная стрелка, висящая над диском, поворачивается, следуя за диском, и закручивает нить. И здесь причина ясна: при движении диска относительно магнита в нем индуцируются токи Фуко, взаимодействие которых с магнитом стремится, по правилу Ленца, остановить движение диска или, в силу третьего закона механики, увлечь магнитную стрелку. Не лишено интереса вспомнить, что описываемый опыт был осуществлен Араго в начале XIX века, еще до открытия электромагнитной индукции. Однако он оставался непонятым, пока Фарадей, открыв индукцию, не объяснил его как одно из проявлений электромагнитной индукции.

^ 143.1. Если в пространстве между полюсами сильного электромаг-

• нита поместить толстостенный медный цилиндр, наполненный во­дой, и привести его в быстрое вращение, то цилиндр нагреется

Рис. 271. К упражнению 143.2

настолько, что вода быстро за­кипит. Объясните этот опыт. За счет какой энергии происходит нагревание цилиндра и воды?

2. Массивный медный маят­ник 1 качается вокруг оси 00, проходя на своем пути через меж- полюсное пространство сильного электромагнита 2 (рис. 271). При отсутствии тока в обмотках электромагнита маятник, выве­денный из положения равнове­сия, совершает довольно много

колебаний, прежде чем остановится. Если же включить ток, то маятник, дойдя до межполюсног.о пространства, резко, как бы толчком, тормозится и сразу останавливается. Объясните это явление.

2. Почему, если заставить монету падать через межполюсное пространство сильного электромагнита (рис. 272), при включен, ном токе в обмотках монета не падает с обычной скоростью, а медленно опускается, как бы продавливаясь через очень вязкую жидкость?

3. Если подвесить на нити между полюсами электромагнита кубик, сложенный из отдельных изолированных медных листков (рис. 273), затем эту нить закрутить и отпустить, то кубик начнет

Рис. 273. К упражнению 143.4

быстро вращаться вокруг вертикальной оси. При включении тока в обмотки электромагнита это вращение тормозится, причем тормозящее действие значительно сильнее тогда, когда кубик подвешен за ушко 1 (рис. 273, а), чем тогда, когда он подвешен за ушко 2 (рис. 273, б). Объясните эти опыты. Учтите направле­ния индукционных токов (токов Фуко) и направление индукции магнитного поля В, показанное на рисунке.