Що таке індукція: визначення, види та особливості

Що таке індукція: визначення, види та особливості

Відомо, що електричний струм, що поточний по провіднику, породжує навколо себе магнітне поле. А чи може в природі існувати зворотний процес? Чи може магнітне поле бути використане для створення електричного струму?

У XIX столітті фізики серйозно задумалися над цим. Одним з таких вчених був англієць Майкл Фарадей (на фото вище). Саме він розповів усьому світу, що таке індукція.


Перетворення механічної роботи в енергію і навпаки

Електромагнітна індукція - це явище, на якому тримається майже вся сучасна енергетика. Відомо, що механічну роботу можна перетворити на тепло. Це зробити дуже легко, потрібно просто потерти долоні один про одного. Так механічна робота переходить у внутрішню енергію долонь. Чи можливий зворотний процес? Чи можна теплову енергію (внутрішню) перетворити на механічну роботу? Можна, і це реалізовано, наприклад, у двигунах внутрішнього згоряння.

Отже, в природі існує можливість провести процес в одному напрямку - перетворити внутрішню роботу на теплову енергію. Яким чином зробити все навпаки - внутрішню енергію перетворити на механічну роботу (енергію)? Це відкриття зробив Майкл Фарадей.

Тернистий шлях Фарадея до науки

Сім 'я Майкла жила в передмісті Лондона і ледве зводила кінці з кінцями. Продукти харчування були настільки дорогими, що на тиждень хлопчикові виділяли одну буханку хліба, іншої їжі не було. Фарадей не став працювати у батька в кузні, не став допомагати мамі-покоївці. Коли йому виповнилося дванадцять, він влаштувався в книжковий магазин. Спочатку він працював посильним, а потім помічником переплітника, саме це вирішило долю Фарадея.

Він мав доступ до сотень книг, але найбільший інтерес у нього викликали праці з різних розділів природознавства. Так Майкл захопився науками, він читав Британську енциклопедію та інші наукові видання. Багато дослідів, які були там описані, хлопчик, незважаючи на свій скромний достаток, повторював.

Здавалося, що простому переплітнику неможливо пробитися в науковий світ, але в долю втрутився випадок. У книгарні, де працював Фарадей, часто приходили природознавці з Британської академії. Вони побачили, що Майкл читає Британську енциклопедію, помітили його зацікавленість, жагу до знань, тому запропонували йому відвідати лекцію світового світила науки Гемфрі Деві.

Деві читав курс популярних лекції з фізики та хімії. Хлопчик законспектував лекції, красиво переплив конспект і передав їх вченому з проханням, щоб той взяв його до себе на роботу.


Деві відмовив юному даруванню, тому що на той момент не було вакансій, проте Фарадею в черговий раз посміхнулася удача. У лабораторії, де працював Гемфрі Деві, стався вибух, і скляний посуд, лопнувши, пошкодила зір фізика. Якийсь час вчений не міг читати і писати. На щастя, він згадав про хлопчика, який цікавиться наукою, і запросив його до себе на допомогу. Через деякий час Деві остаточно взяв Фарадея до себе на роботу.

Невдалі спроби Фарадея перетворити магнетизм на електрику

Розберемо досвід, який проводив Фарадей, щоб відкрити, що таке індукція. Він взяв досить товсте залізне кільце і намотав на нього кілька котушок, які були ізольовані один від одного. Одну котушку фізик підключив до гальванометра, а іншу приєднав до джерела струму. Замикаючи ланцюг, Фарадей помітив, що стрілка гальванометра смикалася. Він перевіряв ізоляцію і те, чи не перетікає частину струму в іншу котушку. Але виявлялося, що ізоляція скрізь справна.

Ще дивніше було те, що навіть при розмиканні ланцюга стрілка гальванометра теж смикалася. Надалі Фарадею вдалося розібратися, в чому причина цього явища. Щоб прийти до цього розуміння, він використовував не тільки котушки з кількома обмотками, але і залізні стрижні, магніти. Вчений розмірковував, як можна перетворити магнетизм на електрику.

Перший успіх

Відкриття явища електромагнітної індукції датовано 29 серпнем 1831 року. Через 11 років після дослідів Ерстеда, коли було отримано магнітне поле за допомогою електричного струму, Фарадею вдалося отримати індукцію магнітного струму. Але це був тільки початок досліджень. Для того щоб розібратися, що відбувається, фізик провів цілу серію експериментів, в яких брала участь котушка, підключена до гальванометру. Далі ми опишемо досвід Фарадея.

Експерименти Ампера

Такі ж досліди повторював і Ампер. Правда, гальванометри, якими користувалися обидва вчених, були не такими, як у нас. Це були дуже чутливі до вібрацій прилади, тому їх встановлювали в окремій кімнаті. Ампер засував у котушку магніт і йшов у сусідню кімнату. Коли він йшов, то не бачив, що відбувається з гальванометром, як прилад реагує. Потім він вставляв магніт, повертався в кімнату з пристроєм, а стрілка показувала на позначку нуль. Ампер йшов до лабораторії і витягав магніт з котушки. Повертався до гальванометра - стрілка знову показувала на нуль, фізику ніяк не вдавалося "зловити" індукцію провідника. Ампер розчаровувався знову і знову.

Чому Фарадею вдалося зробити відкриття

У Фарадея був помічник на прізвище Андерсон. Сорок років він асистував Фарадею в лабораторії. Вони працювали вдвох: Андерсон в одній кімнаті дивився за показаннями гальванометра, а Фарадей в іншій брав котушку і вставляв у неї магніт. Здійснюючи цю дію, Фарадей почув через відкриті двері слова Андерсона про те, що стрілка відхилилася. Коли він вийняв магніт, то помічник повідомив, що стрілка відхилилася в інший бік.

Потім Фарадей змінив полярність магніту і вставив його в котушку іншим полюсом. Андерсон сказав, що стрілка гальванометра відхилилася в той же бік, що і в останній раз. Пізніше Фарадей пояснював це явище зміною вектора індукції. При витягуванні магніту з котушки стрілка відхилилася в той же бік, що і в перший раз. Фарадей і Андерсон побачили, що рух магніту в котушці породжує в ній електричний струм.


Проведення досвіду

Щоб вивчити індукцію, проведемо досвід з постійним магнітом. Підключимо котушку до гальванометра. Не обов 'язково вводити магніт всередину, як це робив Фарадей, можна вставити в неї залізний сердечник. Стрілка при цьому не відхиляється, але оскільки залізо підсилює поле, то великий магніт можна рухати навіть далеко від котушки. Стрілка гальванометра буде відхилятися все одно. Отже, рух магніту біля або всередині котушки породжує в ній електричний струм.

Заміна магніту

Фарадей вирішив провести досвід з електромагнітом. Щоб зрозуміти, що таке індукція, ми повторимо тест вченого. Візьмемо котушку (буква А на малюнку), на яку намотано дріт. Щоб він створював поле, підключимо його до джерела струму і включимо. Бачимо, що сила струму близько 1-1,5 ампера. По котушці тече струм, тому вона перетворилася на електромагніт. Вставляємо, а потім виймаємо меншу котушку з більшої (буква В на малюнку), і бачимо, що стрілка гальванометра (прилад на малюнку позначений буквою G) реагує.

Індукційний струм

Фарадей задумався, в чому ж причина - в самому русі або в тому, що коли магніт рухається, то змінюється магнітна індукція однорідного поля всередині котушки. Може бути, справа зовсім не в русі, а в зміні магнітного поля? Як це перевірити? Потрібно зробити так, щоб поле змінювалося, а руху ніякого не відбувалося. Для цього можна збільшувати або зменшувати силу струму.

Пристрій для зміни сили струму в ланцюгу - це реостат. Підключимо його послідовно до електромагніту. Струм від джерела піде спочатку через реостат, другий висновок приладу підключимо до котушки, а другий висновок останньої - до джерела струму. Тепер можна регулювати силу струму. Вставляємо електромагніт - струм тече, стрілка гальванометра реагує. Так відбувається через рух магніту або зміни електромагнітного поля? Перевіримо. Змінимо силу струму. Побачимо, що коли вона змінюється, те ж відбувається і з магнітним полем у котушці. В результаті виникає струм у другій котушці. Він називається індукційним.

Що таке індукція

Якщо вимкнути джерело струму або увімкнути його, то гальванометр на короткий час дає якісь свідчення. Коли це помітив Фарадей, йому стало зрозуміло, що саме зміни магнітного поля в котушці створюють в ній електричний струм.


Явище електромагнітної індукції поля, відкрите Фарадеєм, полягає в тому, що при зміні магнітного поля в замкнутому контурі (в нашому випадку це котушка) в ньому виникає електричний струм.

Електромагнітну індукцію можна спостерігати і в такому випадку. Візьмемо великий магніт, наблизимо, а потім віддалимо його від котушки. При цьому виникає індукційний струм. Але можна вчинити і по-іншому. Котушку, не наближаючи і не видаляючи, просто обертати в магнітному полі. Побачимо, що виникає індукція, напрямок якої змінюється. При цьому змінюється кількість ліній магнітного поля, що пронизують котушку.

Чому виникає струм

Коли в якійсь точці простору, наприклад, всередині котушки, змінюється поле і кількість ліній магнітної індукції, тут же виникає електричне поле. Магнітне поле, що змінюється, породжує електричне. Провід, який намотаний на котушку, виявляється в електричному полі, і воно змушує електрони всередині дроту рухатися. А що якщо електромагніт нерухомий, а котушка рухається назустріч йому? Відбувається те ж саме. Виходить, що магнітне поле навколо електромагніту постійно.