Объясните причину возникновения тока в катушке в опыте, изображённом на рисунке 310. Будет ли возникать индукционный ток, если магнит оставить неподвижным в катушке?

рис. 310

Для объяснения явления, изображённого на рисунке, нужно обратиться к закону электромагнитной индукции, открытому Майклом Фарадеем. Этот закон описывает процесс возникновения электрического тока в проводнике при изменении магнитного потока через поверхность, ограниченную этим проводником.

Электромагнитная индукция

1. Магнитное поле и магнитный поток: Магнитное поле создаётся магнитом. Линии магнитного поля проходят через катушку, состоящую из множества витков провода. Величина магнитного потока ($ \Phi $) через поверхность, ограниченную катушкой, определяется как: $$ \Phi = B \cdot S \cdot \cos \theta, $$ где:
   • $ B $ — магнитная индукция (характеристика магнитного поля),
   • $ S $ — площадь поверхности, через которую проходит магнитное поле,
   • $ \theta $ — угол между направлением магнитного поля и нормалью к поверхности.

Если магнит перемещается относительно катушки, магнитный поток через катушку изменяется.

1. Индукционный ток: Согласно закону Фарадея, изменение магнитного потока ($ \Delta \Phi $) во времени ($ \Delta t $) вызывает появление электродвижущей силы (ЭДС) в катушке: $$ \mathcal{E} = -\frac{\Delta \Phi}{\Delta t}. $$ Это явление называется электромагнитной индукцией. Знак минус в формуле указывает на то, что возникающий ток всегда направлен так, чтобы противодействовать изменению магнитного потока (правило Ленца).

Если катушка замкнута (например, соединена с измерительным прибором, как на рисунке), то через неё будет течь электрический ток.

1. Движение магнита: Когда магнит движется (например, опускается в катушку или вынимается из неё), происходит изменение магнитного потока через витки катушки:
   • При движении магнита вниз поток увеличивается.
   • При движении магнита вверх поток уменьшается.

Эти изменения создают ЭДС в катушке и, как следствие, возникает электрический ток, который вызывает отклонение стрелки амперметра.

1. Неподвижный магнит: Если магнит остаётся неподвижным внутри катушки, магнитный поток через катушку не изменяется ($ \Delta \Phi = 0 $). В таком случае ЭДС не возникает ($ \mathcal{E} = 0 $), и через катушку не течёт индукционный ток. Стрелка амперметра остаётся неподвижной.

Роль закона Ленца

При движении магнита в катушке (вверх или вниз) индукционный ток имеет направление, которое противодействует изменению магнитного потока. Это означает, что:
− Если магнит опускается внутрь катушки, индукционный ток создаёт магнитное поле, которое "препятствует" его движению.
− Если магнит вынимается из катушки, индукционный ток создаёт магнитное поле, которое "старается удержать" магнит в катушке.

Данное явление можно наблюдать в эксперименте, изображённом на рисунке 310, и оно является классическим примером действия закона электромагнитной индукции.